Chỉnh lưu- điện tử công suất

05/03/2011 1 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 •Các vấn đề chung về chỉnh lưu •6 sơ đồ chỉnh lưu cơ bản •Nguyên lý hoạt động •Tính toán các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 2 05/03/2011 2 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Chỉnh lưu là gì?  Bộ biến đổi biến điện áp xoay chiều, thường là lấy vào từ lưới điện, thành điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều.  Phụ tải điện một chiều rất đa dạng:  Các quá trình công nghệ, thường đòi hỏi nguồn một chiều với dòng điện rất lớn, từ vài trăm A đến hàng nghìn A, như công nghệ điện hóa mạ, điện phân, hàn hồ quang, …;  Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC;  Các bộ lọc bụi tĩnh điện, yêu cầu điện áp đến 120 kVDC, dòng điện đến vài A;  Các hệ thống kích từ tĩnh cho các hệ máy phát điện công suất lớn;  Bản thân bộ nguồn cho các thiết bị điện tử, viễn thông. 10/02/2011 3 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 4 05/03/2011 3 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản 10/02/2011 5 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Phân loại và tên gọi các sơ đồ chỉnh lưu:  số pha – sơ đồ van – có điều khiển hay không điều khiển (dùng điôt hay thyristor hay cả hai loại).  Ví dụ:  Sơ đồ chỉnh lưu 1-pha hình tia không điều khiển (dùng điôt)  Sơ đồ chỉnh lưu 3-pha cầu điều khiển hoàn toàn (dùng thyristor). 10/02/2011 6 05/03/2011 4 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Dựa vào các thông số cơ bản để có thể thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu hoặc đặt hàng mua, thuê chế tạo chỉnh lưu cho một ứng dụng cụ thể nào đó.  Thông số cơ bản thể hiện các đặc tính kỹ thuật chính của bộ chỉnh lưu (Main Technical Specification).  Các thông số cơ bản thể hiện qua điện áp chỉnh lưu yêu cầu:  Điện áp và dòng chỉnh lưu yêu cầu, (U d , I d );  Hoặc điện áp và công suất chỉnh lưu yêu cầu, (P d , U d );  Các thông số cũng phải thể hiện qua điện áp xoay chiều phía lưới: số pha, cấp điện áp, tần số. Ví dụ: nguồn cấp lấy từ lưới điện 3x380V, 50 Hz hoặc một pha 220 V, 50 Hz. 10/02/2011 7 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Chia làm 4 nhóm:  1. Thông số xác định chất lượng của điện áp chỉnh lưu  Điện áp chỉnh lưu chỉ là các mảnh của điện áp xoay chiều phía lưới.  Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp lưới, n. n càng lớn càng tốt;  n thể hiện sự bằng phẳng của điện áp. 10/02/2011 8 Ví dụ n=3 05/03/2011 5 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  2. Nhóm các thông số liên quan đến van bán dẫn  Các thông số này cần thiết để lựa chọn van cho sơ đồ chỉnh lưu;  Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn.  Hai thông số cơ bản để lựa chọn van: Dòng trung bình qua van thể hiện qua dòng chỉnh lưu yêu cầu I D (I d ).  Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van trong quan hệ với điện áp chỉnh lưu yêu cầu U ng,max (U d ). 10/02/2011 9 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  3. Nhóm các thông số liên quan đến máy biến áp  Các thông số này cần thiết để thiết kế, chế tạo hoặc đặt hàng máy biến áp. Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn về khả năng tận dụng công suất máy biến áp.  Công suất tính toán máy biến áp S ba (P D ) (kVA). S ba xác định kích thước mạch từ máy biến áp (khối lượng sắt từ, kích cỡ cửa sổ, tiết diện mạch từ chính).  Tỷ số máy biến áp, điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp, k ba , U 1 , U 2 . Các thông số này xác định số vòng dây cuốn. w 1 , w 2 .  Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp, thứ cấp MBA, I 1 , I 2 . Thông số này xác định tiết diện dây cuốn MBA.  Không phải chỉnh lưu nào cũng phải dùng MBA?  Khi đó S xác định công suất chỉnh lưu huy động từ lưới điện.  Dòng điện cho biết cần chọn kích cỡ dây cấp điện cho sơ đồ như thế nào. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ như aptomat hoặc thiết bị đóng cắt như công-tắc-tơ thế nào. 10/02/2011 10 05/03/2011 6 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  4. Nhóm các thông số liên quan đến ảnh hưởng của sơ đồ chỉnh lưu đối với lưới điện  Thành phần sóng hài của dòng xoay chiều đầu vào chỉnh lưu, thể hiện qua hệ số méo phi tuyến  Trong đó I k giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc k, I 1 là hiệu dụng sóng cơ bản.  Hệ số công suất cos, trong đó  là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp.  Khi công suất chỉnh lưu càng lớn thì ảnh hưởng của những thông số trên đến lưới điện càng nghiêm trọng. 10/02/2011 11 25 2 1 1 k k I I     2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu nghĩa là làm rõ các thông số cơ bản trên đây.  Không phải sơ đồ nào ta cũng chỉ ra tất cả các thông số cơ bản nhưng phương pháp và cách thức tính toán phải nắm được.  Để đơn giản cho người học một số giả thiết được sử dụng hoặc đưa vào dần dần. Ví dụ lúc đầu sẽ giả thiết lưới điện có công suất vô cùng lớn so với công suất chỉnh lưu yêu cầu nên nhóm thông số thứ tư sẽ chưa được đả động đến. 10/02/2011 12 05/03/2011 7 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ đơn giản nhất, rất ít ứng dụng thực tế.  Nhắc lại một số khái niệm về điện  Giải thích hệ thống kí hiệu thường dùng.  Phân tích nguyên lý hoạt động của một sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất.  Giả sử tải thuần trở R t  Dòng điện lặp lại dạng như điện áp. 10/02/2011 13 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Giả sử điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp có dạng:  giá trị biên độ;  U là giá trị hiệu dụng.  góc pha, [rad];  tần số góc, [rad/S];  f: tần số điện áp lưới, [Hz].  Điện áp chỉnh lưu trung bình tính được như sau:  Dòng chỉnh lưu trung bình:  Điện áp ngược lớn nhất trên van: 10/02/2011 14 1 1 2 2 sin ; sin m m u U u U     1 2 , m m U U 2 m U U  t    2 f      2 2 2 2 2 0 0 0 2 1 1 sin os 2 2 2 m m m d U U U U u d U d c                     2 2 2 m m d d t t I U U I R R       ,max 2 2 2 m ng U U U   05/03/2011 8 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ dùng thyristor, có ứng dụng trong các bộ điều khiển kích từ các máy phát điện nhỏ.  Tải là cuộn dây kích từ, có điện cảm lớn.  Sơ đồ phải có điôt D0, gọi là điôt không (free wheeling diode) để khép kín đường dòng điện khi thyristor V khóa lại. 10/02/2011 15 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Khái niệm về góc điều khiển , góc chậm pha của tín hiệu điều khiển so với thời điểm điện áp nguồn qua không.  Khi  = 0 sơ đồ hoạt động giống như chỉnh lưu dùng điôt.  Dòng điện có dạng phức tạp hơn:  Khi V thông:  Khi D0 thông:  Giải hệ p/t này, với lưu ý  Sẽ có dạng dòng điện như hình (b). 10/02/2011 16   2 sin m t t t t di L R i U t dt    0 t t t t di L Ri dt   2 2 t t i i          05/03/2011 9 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt 10/02/2011 17 Sơ đồ nguyên lý. Xét hai loại tải (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. Đồ thị dạng dòng điện, điện áp; (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. Trong Điện tử công suất ta sẽ quan tâm chủ yếu đến 3 loại tải: R, RL, RLE 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt  Khái niệm về tải tương đương hay tải tổng quát • Tải: bộ phận biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, quang năng. • Tải R: thể hiện điện năng biến thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, ánh sáng, không nhất thiết phải là điện trở. • Tải RL: thành phần điện cảm thể hiện có quá trình trao đổi giữa điện và từ. Điện cảm là kho từ, có tính chất là dòng điện qua nó không thể đột biến được. • Tải RC: tụ điện thể hiện điện biến thành điện. Tụ là kho điện, có tính chất là điện áp trên nó không thể đột biến được. • Tải RLE: sức điện động E thể hiện nguồn điện, có bản chất khác điện. Ví dụ s.đ.đ của động cơ có bản chất cơ năng, s.đ.đ của acquy có bản chất hóa năng. 10/02/2011 18 05/03/2011 10 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Điện áp chỉnh lưu trung bình:  Các thông số của van:  Dòng trung bình qua điôt:  Điện áp ngược lớn nhất trên van:  Các thông số của MBA :  Điện áp thứ cấp MBA:  Điện áp sơ cấp MBA: 10/02/2011 19   2 0 2 0 2 2 2 1 sin 1 2 2 2 cos 0,9 m d m m U U d U U U U                 2 d D I I  ,max 2 2 2 2 2 m ng U U U   2 2 2 d U U   1 2 2 2 ba ba d U k U k U    2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Các thông số của MBA:  Dòng chỉnh lưu trung bình biểu diễn qua giá trị biên độ có dạng giống như điện áp:  Dòng điện thứ cấp MBA:  Dòng điện sơ cấp MBA: 10/02/2011 20   2 2 2 2 0 0 2 2 1 1 cos2 sin 2 2 2 2 2 4 2 m m m m d I I I d d II I                         2 2 2 2 m d d I I hay I I     1 2 1 1 2 2 2 2 m m d ba ba I I I I k k    