tài liệu phần chỉnh lưu trong điện tử công suất

Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu:Khối biến áp dùng để chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với tải.. * Dựa theo sơ đồ mắc van có 2 kiểu: + Sơ đồ hình

Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu:

Khối biến áp dùng để chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với tải Ngoài ra khối biến áp còn có thể biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van chỉnh lưu Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3 Mạch van có thể cần số pha là 1,3,6,12

Trong một số trường hợp khi mà nguồn lưới đã phù hợp với yêu cầu của khối van chỉnh lưu thì có thể bỏ qua máy biến áp

Khối van CL gồm các van bán dẫn ( diode và tiristo) được mắc theo cách nhất định để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

Khối Lọc có tác dụng làm cho điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu là điện áp một chiều bằng phẳng theo yêu cầu

2.1.2 Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo các cách thức sau:

* Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: có mạch một pha, ba pha, sáu pha vvv

* Dựa theo loại van bán dẫn:

+ Mạch dùng hoàn toàn bằng diode: Chỉnh lưu không điều khiển

+ Mạch dùng kết hợp diode và tiristo : Chỉnh lưu bán điều khiển

+ Mạch dùng hoàn toàn bằng tiristo: Chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn

* Dựa theo sơ đồ mắc van có 2 kiểu:

+ Sơ đồ hình tia : Trong sơ đồ này số van dùng cho chỉnh lưu sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu Các van đấu chung một đầu nào đó với nhau: hoặc A chung, hoặc K chung

+ Sơ đồ hình cầu: Trong sơ đồ này số lượng van gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu, trong

đó một nửa số van mắc chung nhau A , một nửa số van mắc chung K

2.1.3 Các tham số cơ bản.

Các tham số cơ bản dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản nhất của một mạch chỉnh lưu:

Ud : giá trị điện áp trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu

)(2

1)

(

1

d u dt

t u T

T d d

1

d i

Pd= Ud Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

Ivtb : dòng trung bình qua van

Lọc

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

2.2 CHỈNH LƯU DIODE 2.2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Trong sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ điện áp thứ cấp máy biến áp là:

u2 = 2U2sinωt= 2U2sinθ

2.2.1.1 Khi tải thuần trở

Khi 0< θ <π điện áp u2 dương ở điểm A Diode mở cho dòng chảy qua Nếu coi điện áp rơi trên diode uD= 0 ta có:

θsin2.i U2R

Khi π< θ <2π điện áp âm ở điểm A Diode bị khoá: i=0,ud=0

Diode phải chịu điện áp ngược với giá trị lớn nhất là: U ngmax = 2U2

Điện áp trung bình chỉnh lưu là:

2 2

0

2sin 2 0.452

2

1

U

U d

U

ππ

2.2.1.2 Tính công suất máy biến áp

Vì dòng điện của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp không sin Điều này làm cho công suất máy biến áp lớn hơn công suất tải nhận được ngay cả khi coi biến áp là lý tưởng (không có tổn thất) và tải dạng thuần trở Ta xem xét vấn đề này trên thí dụ mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải thuần trở

Công suất biến áp được tính theo biểu thức

22

2 2 1 1 2

Quan hệ về điện áp, như đã biết: 1 1

d

d d

I I

R

U R

U

2

.2

2.2

2

ππ

Như vậy ta nhận thấy hai điểm sau về dòng thứ cấp:

a Dòng chỉ chảy theo một chiều xác định, không phải là dòng xoay chiều như thông

thường

b Giá trị hiệu dụng I2 lớn hơn dòng tải nhận được tới 1,5 lần

Do vậy công suất thứ cấp biến áp lớn hơn 3,5 lần công suất một chiều Pd:

= − ta có dạng dòng điện sơ cấp máy biến áp Ta tính được trị

hiệu dụng của dòng sơ cấp:

2 2

2 1

0

2 2

2

d 0

2

( )1

2

2 sin1

k I

Vậy công suất phía sơ cấp biến áp:

Biến áp cho mạch chỉnh lưu đều có đặc điểm: Sba>Pd Trong đó mạch hình tia luôn có dòng điện thứ cấp chỉ chảy theo một chiều do chỉ có một van nối với mỗi nguồn xoay chiều, nên công suất biến áp lớn hơn nhiều Pd do đó lõi thép biến áp bị từ hoá một chiều bởi thành phần không đổi Id Ở mạch nhiều pha có thể khắc phục điều này nếu chế tạo biến áp có nhiều cuộn thứ cấp trên một pha để dùng phương pháp đấu ziczắc

R dt

di

Chuyển sang dạng toán tử Laplace với sơ kiện i(0)=0

2 2 2

2)(.)(

ω

ω

+

=+

p U p

I R p I p L

))(

(

1

2)(

2 2 2

L

R p p

L

U p

I

++

=

ωω

Đặt ωL=X =z.sinϕ R=z.cosϕ 2 2

X R

R e X

R

U

2 2 2

Hình 2.4 Sơ đồ tia tải R+ L Hình 2.5 Dạng điện áp

Tại thời điểm θ = λ, dòng điện i=0 , diode khoá lại, ta có phương trình:

ϕ

λϕϕ

Với tải nhất định ta có thể tính được ϕ do vậy có thể tính được góc tắt dòng λ từ phương trình trên

Trong khoảng 0< θ < t1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm tích luỹ năng lượng Khi t1<θ<t2 dòng i giảm, khi đó sđđ tự cảm sẽ cùng chiều với u2, cuộn cảm hoàn trả năng lượng, do vậy diode D vẫn tiếp tục mở cho dòng chảy qua trong khoảng π< θ < θ2

Một số trường hợp mắc thêm diode hoàn năng lượng D0 đấu song song với tải, nó có tác dụng duy trì dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn, phần năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm sẽ tiêu tán trên điện trở tải mà không trả về nguồn

Kết luận:

- Với tải R+L dòng điện tải chậm sau điện áp u2 một góc ϕ

- Khi không có diode D điện áp chỉnh lưu có một phần mang giá trị âm đó là thời điểm cuộn cảm trả năng lượng về nguồn

- Khi có D điện áp chỉnh lưu sẽ không còn phần mang giá trị âm nữa, năng lượng trên cuộn cảm tiêu tán trên điện trở tải

- Trong một chu kỳ điện áp cuộn cảm tích luỹ bao nhiêu năng lượng thì sẽ hoàn trả lại bấy nhiêu

2.2.1.4 Tải R+E

Dạng tải này phổ biến là các động cơ điện một chiều, các bộ nạp ắcquy

Khi u2 > E, diode cho dòng chảy qua, dòng id tồn tại trong khoảng thời gian θ1-θ2 là nghiệm của phương trình:

E U

u2 = 2 2sinθ =

Hình 2.5 Sơ đồ tia có diode hoàn năng

E U d

E U

I

2

2R

sin22

θπ

θ θ

D ng

02 1

2

U u

uD

2 2

2 U

Như vậy điện áp trung bình chỉnh lưu:

2 2

0

2 21

U

22

10

D

I R

d U

Dòng hiệu dụng của thứ cấp máy biến áp

R

U d

R

U I

I

2sin

22

0

2 2

−

p U p

RI i

p pI

Đặt sơ kiện Id(0)=I0 thay vào phương trình trên

2 0

/

2/

)(

ω

ω++

++

=

p L R p L

U L

R p

I p

++

−

−

t t

b e b e

b p

b p b p

bt

bt

ωω

ω

11

))(

(

1

2 2 2

2

R

X tg

L X

=

=ϕω

+

R X

R

X

U e

I

R

2

2 2

2 0

Đối với sơ đồ chỉnh lưu 1pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa, tại bất kỳ thời điểm nào thế điểm M lớn hơn thế điểm N nên không dùng đến diode hoàn năng lượng vì nó sẽ không thể mở được

2.2.2.2 Khi tải R+E

Giá trị trung bình của dòng tải:

2

2

1θθ

θ

τπ

θθ

θ

U d

R

E U

I d

Dòng hiệu dụng qua các cuộn dây MBA

T R

E U d

i I

I

2

22

21 22

21

2

1

τθ

π

θ θ

θπ

2

12

d U

d u

Dòng tải trung bình

R

U R

U

22

Dòng trung bình qua một diode

2

sin22

10

D

I R

d U

UngVmax= 2 U2

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm của mạch là có thể không cần biến áp Nhược điểm của nó là luôn có hai diode tham gia dẫn dòng Như vậy, sẽ có sụt áp do hai diode gây ra, chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp, dòng tải lớn

2.2.4 Chỉnh lưu hình tia ba pha (tải R)

3 U = U

Mạch van gồm ba diode D1D2D3 mắc thành một nhóm Ở đây là kiểu catốt chung Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van là nguồn ba pha đối xứng u2a, u2b, u2c Theo sơ đồ ta thấy anốt D1 đấu với ua; anốt D2 đấu với ub; anốt D3 đấu với uc; Vì thế:

Trong khoảng θ ÷1 θ2(Tức từ 300 ÷1500), điện áp u2a>u2b, u2c nên diôt D2 dẫn suy ra ud=ua

Trong khoảng θ θ2÷ 3(Tức từ 1500 ÷2700), điện áp u2b>u2a, u2c nên diôt D3 dẫn suy ra ud=ub

Trong khoảng θ ÷3 θ4(Tức từ 2700 ÷3900), điện áp u2c>u2a, u2b nên diôt D3 dẫn suy ra ud=u2c

U I R

I

Vậy điện áp ngược cực đại trên van là điện áp dây cực đại:

ungược van = udây nguồn= 3 2U2 = 6U2

Chỉnh lưu hình tia ba pha cần có biến áp để đưa điểm trung tính N ra tải

2.2.5 Chỉnh lưu cầu ba pha

Mạch van gồm 2 nhóm, các diode D1, D3, D5 đấu kiểu catôt chung (hình 2.15a), nên hoạt động theo luật 1, vì thế: D1 dẫn trong khoảng θ1÷θ3 khi ua dương nhất, D3 dẫn trong khoảng θ ÷3 θ5 khi ub dương nhất, D5 dẫn trong khoảng θ ÷5 θ7 khi uc dương nhất

Các diode D2, D4, D6 đấu kiểu anốt chung nên:

D2 dẫn trong khoảng θ ÷2 θ4 khi uc âm nhất

D4 dẫn trong khoảng θ4÷θ6 khi ua âm nhất

D6 dẫn trong khoảng θ6÷θ8 khi ub âm nhất

Bất kỳ ở thời điểm nào cũng có một diode nhóm trên dẫn với một diode của nhóm dưới.Trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều, điện áp ud sẽ hình thành từ 6 đoạn điện áp dây của nguồn xoay chiều theo thứ tự uab – uac- ubc – uba – uca – ucb Điện áp trung bình nhận được trên tải là:

Kết luận:

Điện áp ud của các mạch chỉnh lưu có dạng gợn sóng, không phẳng, gọi là độ đập mạch Số lần đập mạch (ký hiệu mđm) trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều 2π phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu Số đập mạch mđm càng cao thì dạng ud càng phẳng, tức là hệ số đập mạch kđm nhỏ hơn

+

-

Bảng 2.1 Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản

Udo - trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu;

U2 - trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn;

Itbv - trị số trung bình của dòng điện qua van;

Ungmax – điện áp ngược lớn nhất van phải chịu khi làm việc;

I2, I1 - trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp biến áp nguồn;

Id - trị số trung bình dòng điện ra tải;

kba - hệ số máy biến áp nguồn;

Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn;

Pd – công suất một chiều trên tải; Pd=Udo.Id;

∆Uγ - sụt áp do hiện tượng trùng dẫn gây ra (Khi La ≠0);

kđm - hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: kđm =

0

1

d

m U

U

; trong đó U1m là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Fourier

2.2.6 Chỉnh lưu m pha tổng quát

Từ các mạch xét ở trên ta thấy, với một mạch chỉnh lưu tổng quát m pha, điện áp Ud có dạng như ở hình dưới Nó là đường bao theo các điện áp phía nguồn xoay chiều với số đập mạch là mđm, trong đó:

Chỉnh lưu hình tia: mđm= mpha.

Chỉnh lưu cầu: nếu m chẵn mđm= mpha

nếu m lẻ mđm = 2mpha

Biên độ điện áp chỉnh lưu Um cũng phụ thuộc vào sơ đồ đấu van

Chỉnh lưu hình tia: Um=U pha max = U2m

Chỉnh lưu cầu: nếu m chẵn Um=2U2m

nếu m lẻ Um=2U2mcos2m

πGiá trị trung bình điện áp chỉnh lưu

dm m

dm m

m m

dm

m d U

m U

dm

dm

ππ

θθπ

π

π

sincos

ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (còn gọi là góc mở) để mô tả thời điểm mở tiristor

Góc điều khiển α là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào

cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là điểm mà nếu thay van tiristor bằng diode thì nó bắt đầu dẫn.

2.3.1 Chỉnh lưu điều khiển một pha một nửa chu kỳ

Hình 2.20.Chỉnh lưu tiristor 1 pha hình tia Hình2.21.Đồ thị điện áp

Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0÷π)mặc dù điện áp trên tiristo T đã dương, song phải đến thời điểm α thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung (FX) Do đó:

Trong giai đoạn (0÷α)tiristo khoá: ud=0

Trong giai đoạn (α π÷ )tiristo dẫn: u d =u2( )θ

Trong giai đoạn (π ÷2 )π tiristo khoá: u d =0

Điện áp ud chỉ là một phần của u2 với độ lớn tuỳ thuộc góc α Ta có:

Hình 2.19 Sơ đồ áp m pha

(2.29)Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào góc điều khiển Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào tham số α Bằng cách thay đổi α từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0)

2.3.1.2 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải R d L d

Khi tiristo dẫn, ta có phương trình mạch:

θ ϖ

xung

t

Hệ số A xác định từ điều kiện đóng mạch có điện cảm (i d θ α− ) 0= Ta rút ra

Khi có điện cảm Ld, dòng điện kéo dài qua điểm π, và góc dẫn của van λ=(θ3-θ1)>(π-α)

Giá trị λ xác định từ biểu thức trên với điều kiện i(θ=α+λ)=0 và ta có phương trình sau:

cos os2

c U

α λ α

Góc điều khiển α của các tiristo bằng nhau: α1=α2=α Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng

độ mất đối xứng Mạch điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xứng không vượt quá 10 đến 20 điện

Với Udo=0,9.U2.

Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp ud, và ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng

0 (id=0) trong toàn dải điều chỉnh α Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn

2.3.2.2 Tải R + L d

Ở trường hợp này tùy góc mở và tải sẽ có hai dạng dòng id khác nhau, và được gọi tên riêng là chế

độ dòng điện liên tục và chế độ dòng điện gián đoạn

UT1

b

0

i1i2

uT 1

Ở trạng thái xác lập có quy luật: id(α)=id(α+π)

osR

d d d

d

I R

α

(2.37)Thông thường đặc tính điều khiển động cơ sẽ tốt hơn khi dòng liên tục, vì thế thực tế điện cảm Ld thường được chọn sao cho đạt được chế độ này

Mặt khác trong phân tích kỹ thuật, để đơn giản người ta coi Ld đủ lớn để dòng điện id có độ gợn sóng không đáng kể, nên id=Id là giá trị không đổi Lúc đó trên đồ thị id là một đường thẳng với giá trị bằng Id

2 Giới hạn dòng liên tục

Khi dòng điện qua một van vừa giảm tới 0 thì van tiếp theo cũng đồng thời được phát xung mở ra, id(θ=π+α)=0 Thay vào biểu thức dòng điện ta xác định được góc điều khiển giới hạn này:

d d

XarctaR

gh

α = =ϕ

(2.38)Vậy:

- Nếu α<αgh ta có chế độ dòng liên tục;

- Nếu α>αgh ta có chế độ dòng gián đoạn

Như vậy nếu có Ld>Ldth ta cũng đạt được chế độ dòng liên tục với một tải và góc điều khiển xác định

2.3.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha dùng tiristo

Nếu α >30 0, tải thuần trở, điện áp ud sẽ có đoạn bằng 0, dòng điện tải id sẽ gián đoạn

Hình 2.28

0 0

α

+ + +

(2.40)

2.3.4 Chỉnh lưu điều khiển sơ đồ cầu 1 pha, tải thuần trở.

Dạng điện áp nhận được trên tải sẽ hoàn toàn tương tự cho trường hợp mạch chỉnh lưu hai pha hình tia

2.3.5 Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

Để đảm bảo sơ đồ hoạt động Khi phát xung mở một van cần kết hợp phát xung mở van phía trước nó Khi không xét đến trùng dẫn, mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, một của nhóm A và 1 nhóm K, hoặc không van nào dẫn

Với tải thuần trở, góc giới hạn θth giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn bằng 600 Vậy:

Nếu α ≤ 600 ta sẽ có quy luật :

Udα=Udo.cosα=2,34.U2.cosα

Nếu α > 600 thì dòng điện sẽ gián đoạn

( ) ( )

π α

2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH VAN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN CẢM

XOAY CHIỀU L a

2.4.1 Các quá trình chuyển mạch

Khi phân tích mạch chỉnh lưu ở các mục trước đây ta coi : Nguồn xoay chiều cấp cho mạch van là

lý tưởng, tức là có tổng trở trong bằng không Các van là lý tưởng (khóa tức thời khi tiếp giáp bị phân cực ngược)

Tuy nhiên các nguồn thực tế đều có nội trở, điện kháng nguồn có điện cảm La Ngoài ra trong thực

tế các van cần có một thời gian nhất định để giảm dòng và trở về trạng thái khóa hoàn toàn

Khi nguồn lý tưởng (có L a =0)

Giả sử van T1 đang dẫn dòng tải Id, tại thời điểm θ1, T2 được phát xung mở T2 dẫn sẽ làm T1 khoá ngay Vì vậy dòng tải Id cũng chuyển ngay từ van T1 sang van T2 Dòng qua T1 giảm đột biến từ giá trị Id

về 0, còn dòng qua T2 lại tăng đột biến từ 0 đến Id Đây là hiện tượng chuyển mạch van một cách tức thời

Khi nguồn không lý tưởng (có L a≠ 0)

Giả thiết T1 đang dẫn dòng tải Id ; i1=Id Thời điểm θ1 phát xung mở T2 Các điện cảm La, với tính chất chống sự đột biến dòng điện qua nó, sẽ không cho phép dòng qua các van T1 và T2 biến thiên đột ngột Cần phải có một khoảng thời gian để dòng i1 giảm dần từ Id về 0, cũng như để dòng i2 tăng dần từ 0

Hình 2.32 Góc o

Hình 2.33

đến Id Trong giai đoạn này cả hai van đều dẫn dòng, quá trình chuyển mạch van này gọi là hiện tượng trùng dẫn Góc tương ứng giai đoạn này được ký hiệu là γ

2.4.2 Quy luật của chuyển mạch trùng dẫn.

1 Quy luật điện áp u dN

Khi hai van T1, T2 dẫn, ta có sơ đồ thay thế như trên hình 2.35 Theo đó viết được hai phương trình cần bằng điện áp sau:

1 1

Như vậy: Trong giai đoạn chuyển mạch trùng dẫn, điện áp udN biến thiên theo quy luật bình quân

các điện áp pha nguồn có van tham gia chuyển mạch

2 Quy luật dòng điện

Để xác định các dòng điện i1, i2 trong khoảng γ , ta xét dòng vòng i trên sơ đồ mạch trên:

m

m

πθ