BÀI GIẢNG CHỈNH lưu điều KHIỂN (2)

CHƯƠNG CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Mạch chỉnh lưu có điều khiển mạch đổi điện xoay chiều điện chiều có điện áp thay đổi Các thiết bị lắp đặt theo sơ đồ khác có đặc tính khác nhau, mà người thiết kế phải biết để lựa chọn theo yêu cầu kỹ thuật Điện áp thiết bị điện, điều chỉnh theo ý muốn phạm vi từ đến trị tối đa giá trị điện áp sơ đồ không điều chỉnh tương đương dùng diode Điểm khác hệ số công suất sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển thấp hệ số công suất sơ đồ tương đương dùng diode Hệ số công suất thay đổi theo điện áp ra, tức cao điện áp cao giảm dần xuống điện áp điều chỉnh giảm Linh kiện chỉnh lưu dùng thay cho diode thyristor (SCR) Đây loại linh kiện chỉnh lưu có điều khiển gồm cực anode, catode cực điều khiển hay gọi cực cổng Có loại sơ đồ có tất diode thay SCR sơ đồ hay sơ đồ cầu, có loại có nửa số diode thay sơ đồ có cầu chỉnh lưu Các sơ đồ cầu thay nửa số diode SCR gọi cầu điều khiển bán phần Các sơ đồ có cầu thay 100% SCR gọi cầu đối xứng (điều khiển toàn phần) Nội dung tính toán sơ đồ chỉnh lưu điều chỉnh điện áp giống sơ đồ không điều chỉnh, kết tính toán sơ đồ không điều chỉnh hầu hết áp dụng vào sơ đồ có điều chỉnh trừ điện áp chỉnh lưu hệ số công suất Do ta tính toán điện áp chỉnh lưu Một đặc điểm quan trọng khác với mạch chỉnh lưu không điều chỉnh điện áp mạch điều khiển SCR, SCR dẫn sau thời điểm có xung dòng đưa vào cực điều khieồn 3.2 CHặNH LệU PHA ẵ CHU KYỉ 3.2.1 Tải trở R Điện áp xoay chiều cuộn thứ cấp biến áp có dạng: u2  2U sin  (3.1) Với điện áp có dạng hình vẽ, giả sử SCR phân cực thuận nửa chu kỳ dương điện áp nguồn Nếu thời gian nửa chu kỳ , ta cho xung điều khiển từ phát xung FX vào cực điều khiển G với K SCR dẫn thỏa mãn điều kiện phân cực thuận kích Khi SCR dẫn điện áp 71 đặt lên tải dòng điện qua tải có dạng hình vẽ 3.1, dòng điện gián đoạn Khi điện áp nguồn nửa chu kỳ dương giảm SCR ngưng dẫn Trạng thái ngưng dẫn trì suốt nửa chu kỳ âm điện áp nguồn bị phân cực nghịch Đến nửa chu kỳ trình lại lặp lại có xung kích cho SCR vào thời điểm thích hợp Góc pha  kể từ thời điểm bắt đầu nửa chu kỳ dương đến thời điểm phát xung gọi góc kích hay gọi góc điều khiển Thay đổi góc kích  thay đổi khoảng dẫn SCR Từ thay đổi giá trị trung bình điện áp tương ứng dòng điện, công suất tải u2   2 SCR ud + FX u1  Ud R u2   _ 2 id    2 Hình 3.1 Sơ đồ đồ thị mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ  Giá trị trung bình điện áp tải xác định theo công thức: Ud  Ud  2 2 2  2U sin  d    2U sin  d  2U  cos   cos   0, 45U 2 (3.2) Khi tăng góc kích  khoảng dẫn SCR giảm điện áp chỉnh lưu giảm Khi góc kích  = SCR hoạt động diode chỉnh lưu không điều khiển coi trường hợp riêng chỉnh lưu có điều khiển (với góc kích  = 0)  Giá trị hiệu dụng điện áp tải xác định theo công thức: U hd2   RI hd   2 2  2U sin   d  2    2U sin   d  U hd2  U 22  cos 2 U 22     s in2  d          72 U hd  U    sin 2  2 4 (3.3)  Khi    Ud Uhd = SCR không dẫn;  Khi   SCR làm việc diode chỉnh lưu Ud = 0,45 U ;  Giá trị trung bình dòng điện tải xác định theo công thức: Id  (3.4) Ud 2U  cos   R R 2 3.2.2 Khi tải R + L ud id ud id   2   Hình 3.2 Dạng sóng dòng điện điện áp tải R, L Do sđđ tự cảm, dòng điện qua tải tăng chậm giảm chậm so với điện áp, ta có dạng sóng hình vẽ 3.2  Khi  =  SCR bắt đầu kích dẫn, dòng điện bắt đầu tăng lên  Khi      dòng điện giảm SCR ngắt  - Góc kích, góc điều khiển; - Góc tắt dòng  Để tính góc  phải giải phương trình vi phân cân điện áp nguồn với sđđ tự cảm độ sụt điện áp điện trở tải: u2  2U sin  t  Rid  X did dt di 2U sin   Rid   L d dt (3.5)  Nghiệm phương trình gồm thành phần: Thành phần xác lập, thành phần qúa độ (tự do) id  2U R2  X sin(   )  A.e  R  X (3.6) Hằng số A xác định theo điều kiện ban đầu  =  id  73 2U A R2  X sin(   )e R  X Sau thay vào ta có: R       X sin(    )  sin(    ) e   R2  X   2U id  (3.7) Khi  =  id = 0:  xác định từ: sin       sin     e   arctg  R     X X L  arctg R R (3.8)  Giá trị trung bình điện áp Ud xác định theo công thức: 2U sin   Rid  X did d (3.9) 2U sin  d  Rid d  X did Neáu tích phân hai vế từ  đến  đồng thời ghi nhận id  , cho    ,        2U sin  d  R  id d  X  did (3.10) Chia cho 2 2     R 2U sin  d  id d 2  (3.11)  Theo định nghóa giá trị trung bình ta có: U d  RI d Ud  2    2U sin  d  2U  cos   cos   2 (3.12)  Giaù trị trung bình dòng điện tải thường xác định theo công thức: Id  2U  cos   cos   2 R (3.13)  Khi L =  = , biểu thức trở thành biểu thức mạch tải trở  Khi có diode đệm dòng điện phụ tải trì nhờ giải phóng lượng từ trường tích lũy cuộn cảm L SCR dẫn   L T , R độ tự cảm lớn dòng điện tải nắn thẳng 74 Vì có diode đệm nên ud âm    điện áp Ud dòng điện tải trường hợp tương tự tải trở ( = ): 2U 2U  cos   cos    1  cos   2 2 2U 2U Id   cos   cos    1  cos   2 R 2 R Ud  (3.14)  Giá trị dòng điện hiệu dụng xác định theo công thức:  ihd d 2  I hd  (3.15)  Khi tính Ihd, người ta giả thiết đơn giản xung dòng có dạng hình sin với độ rộng (    ) Dòng Ihd bằng: I hd    Id  SCR ud (3.16) id ud id R u2 D0 L    2 Hình 3.3 Sơ đồ đồ thị mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có diode đệm 3.2.3 Khi tải R + L + E Đây trường hợp thường gặp hệ thống truyền động điện Do có sức phản điện E nên SCR dẫn phân cực thuận với u > E , góc kích  phải thỏa mãn điều kiện: 1 <  < 2 ud E  1  2  2  id   Hình 3.4 Đồ thị dạng sóng dòng điện điện áp với tải R, L, E 75 Khi SCR dẫn ta có phương trình: u2  ud  Rid  L did  E  2U sin  dt (3.17) Do có thành phần cảm kháng mà dòng điện bị tăng chậm điện áp nguồn dòng điện tiếp tục trì thời gian tượng tự cảm nên SCR dẫn Tại thời điểm t ứng với góc tắt dòng  ( = t ) dòng id  Giải phương trình vi phân theo id ta coù: R     2U 2U X id  cos  sin      A   A  cos  sin      e R  R  Trong đó: A  E  sin 1 điều kiện: 2U (3.18)      Giá trị trung bình điện áp Ud: Ta có phương trình: 2U sin   Rid  X did E d (3.19) Chia hai vế cho 2 lấy tích phân từ  đến  : với       id  Ta có: 2     2U sin  d    R E id d  d  2  2  (3.20) Theo định nghóa giá trị trung bình hàm số, ta viết : U d  R.I d  E (   ) ; 2 (3.21) (Điện áp trung bình tải cảm kháng 0) Trong đó: Ud  2     2U sin  d  2U  cos   cos   ; 2 (3.22)  Giá trị trung bình dòng điện tải xác định theo công thức: Id  2U E  cos  cos       2 R 2 R (3.23)  Khi E = tức mạch có R + L công thức lại trở thành công thức mạch tải R + L 76 Dòng điện phụ tải dòng gián đoạn, có diode đệm dòng điện liên tục độ tự cảm đủ lớn   L T R 3.2.4 Trường hợp tải R + E Đây trường hợp nạp ắcquy (L = 0), góc kích SCR phải thỏa mãn điều kiện: 1     Hoaëc: 2U sin   E ; hoaëc sin   E 2U Khoảng dẫn tối đa SCR    ; 2 =  - 1 >  > 1  Giá trị trung bình dòng điện nạp phụ thuộc vào góc  Thay     1 ta coù: Id  2U E cos   cos   1      1    2 R 2 R (3.24) Dạng sóng dòng điện điện áp tải hình 3.5 ud id E 1 2  2  id    Hình 3.5 Đồ thị dạng sóng dòng điện điện áp tải R, E  Hệ số công suất trong mạch chỉnh lưu có điều khiển xác định theo công thức: cos’ = cos0 cos o Trong cos’ hệ số công suất sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển; o coso hệ số công suất sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển; o  góc kích cho SCR 77 3.3 CHỈNH LƯU TOÀN KỲ BIẾN ÁP CÓ ĐIỂM GIỮA (TIA HAI PHA) 3.3.1 Tải R, L Trường hợp tải R, công thức tính toán tương tự chỉnh lưu ½ chu kỳ ta vẽ sơ đồ đồ thị cho trường hợp tải cảm kháng Với tải R ta có:  Ud  2U sin  d 2   cos  2  cos   0,9U 2 (3.25)  2U Id  Ud R SCR1 a u2 L u1 R id u2 b i2 ua0 SCR2 ub0 SCR1 ua0 SCR2 ud  2  i   +   Hình 3.6 Sơ đồ dạng sóng điện áp, dòng điện tải R,L (L) Trong ứng dụng thực tế phần lớn X > R nên dòng id thường dòng điện liên tục nắn thẳng, ta có  =  +  Khi cho biết góc kích  ta xác định góc tắt dòng   Thay  =  +  vào biểu thức Ta có: Ud  2U  cos   U d cos  (3.28) 2 Id  U cos  R Trong Ud0 điện áp chỉnh lưu mạch không điều khiển (dùng diode), mạch chỉnh lưu có điều khiển với góc kích  = 79  Khi góc kích   SCR hoạt động diode chỉnh lưu giống mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển Ud  2U  cos  0,9U = Ud0 (3.29) 3.3.2 Tải R + L + E Ở trường hợp này, nguồn E đặt điện áp +E lên catode SCR, nên muốn SCR dẫn phải có điều kiện ban đầu : u2  E Tại thời điểm  tương ứng với góc kích  SCR1 cấp xung điều khiển dẫn Điện áp tải ud  u2 có dòng điện qua tải Đến nửa chu kỳ sau vào thời điểm   ứng với góc khoá (góc tắt)      ta cấp xung mở SCR2 Lúc xảy ba trường hợp: SCR1 a id u2 E u1 u2 + L R ud b SCR2 Hình 3.8 Sơ đồ mạch tải R, L, E chế độ chỉnh lưu Trường hợp 1: Dòng điện phụ tải qua SCR1 (do L nhỏ góc kích  lớn) SCR2 chưa dẫn, SCR2 điều khiển dẫn lại có dòng qua phụ tải Dòng điện phụ tải bị gián đoạn id = SCR ngưng dẫn (hình 3.9) u   SCR1 ua0 ub0  SCR2 ua0 ud E   2 id   Hình 3.9 Đồ thị dạng sóng điện áp, dòng điện tải R, L, E (L