bài tập lớn điện tử công suất mạch chỉnh lưu

Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều bằng cách sử dụng các phần tử bán dẫn công suất.. Trong một số trường hợp khi mà

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU 1.1 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU

1.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều bằng cách sử dụng các phần tử bán dẫn công suất

Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu:

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 ( điốt 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

1.1.2 Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:

a Dựa theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…

b Dựa theo van bán dẫn:

Mạch dùng toàn điốt: chỉnh lưu không điều khiển

Mạch dùng toàn triristo: chỉnh lưu điều khiển

Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điốt và triristo: chỉnh lưu bán điều khiển

c Dựa theo sơ đồ mắc các van với nhau

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

Lọc

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

1.1.3 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

U d=1

0

T

u d(t )dt= 1

2 π∫

0

2 π

u d(θ )dθ

121Equation Chapter 1 Section 2 (1.1.1)

Id : Dòng điện trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu

I d= 1

2 π∫

0

2 π

i d(θ )dθ

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

Ivtb : dòng trung bình qua van

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

1.2 MỘT SỐ MẠCH CHỈNH LƯU

1.2.1 Chỉnh lưu hình tia hai pha

Khi tải có R + L: 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 liên tục và chế độ dòng liên tục gián đoạn

U1

U’2

U’’2 I’2

I’’2

Ud

T1

T2

α

θ

id

id

I’2 T1

I’’2 T2

Hình 1.2.1 Chỉnh lưu hình tia 2 pha tải RL và các chế độ dòng điện

Phương trình dòng diện:

d

di

Chuyển sang dạng toán tử Laplace:

L ( pId( p)−id( 0) ) + RId( p)= √ 2U2 ω

p2+ ω2

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

I d(p )= I0

p+R/ L+√2 U2

ω

L(p+ R /L)(p2+ω2)

Giải phương trình trên với các hàm:

1 ¿ ( p+b)( p2+b2) ¿

1

p+b ⃗ e

−bt

¿

ω2+b2( e−bt

+ b

ω sinωt−cosωt ) ¿

X=ωL

tg ϕ= X R

i d=I0.e

−R

X θ

+ √2U2

√R2+X2(sin(θ−ϕ )+sin ϕ e

−R

X θ)

(1.2.1)

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

1.2.2 Chỉnh lưu cầu một pha

tiếp từ lưới điện hoặc thông quá biến áp

Tại thời điểm góc θ = 0 ÷ α điện áp u2 < 0 T1T2 dẫn, trong chu kỳ θ = π có T3T4 dẫn nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại

Hình 1.2.2 chỉnh lưu hình cầu 1 pha tải RL và các chế độ dòng điện

Tại thời điểm góc θ = 0 ÷ α điện áp u2 < 0 T1T2 dẫn, trong chu kỳ θ = π có T3T4 dẫn nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại

Dòng tải id là dòng liên tục , id = Id

Phương trình mạch tải: u2 + eL = Rid

√2U2sinθ=Ri d+X di d

dθ

Lấy tích phân từ α → π + α và chia cho π

Tại θ = α và θ = π + α thì id = Id , ta có:

α

π +α

√2U2sin θdθ= R

α

π+α

i d dθ + X

π ∫

I d

I d

di d

Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp:

I2=√1

α

π +α

i d2dθ=√1

α

π+α

I2d dθ

 I2 = Id

1.2.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha

Ua

Ub

Uc

T1

T2

T3

Ig1

Ig2

Ig3

Ud

Rd

Ud

id

iT1

IT2

iT3

Ia

Id

Id

Id

Id

Id

α

θ

Hình 1.2.3 chỉnh lưu hình tia 3 pha tải RL và các chế độ dòng điện

Mạch van gồm 4 tiristor T1T2T3 mắc thành một nhóm, ở đây là kiểu catốt chung,

do vậy chúng sẽ hoạt động theo quay luật dẫn Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van là nguồn ba pha đối xứng ua, ub, uc

Điện áp ud xuất hiện giai đoạn âm, giá trị trung bình của điện áp này:

0cos 2cos

U U  U 

Dòng điện id phẳng do giả thuyết Ld lớn (thường giá trị Ld=∞) và có trị số bằng:

d

d

d

U

I

R





Dòng điện qua mỗi van tồn tại trong khoảng

2 3





và cũng có trị số tức thời bằng

Id, song giá trị trung bình của van là Itbv = Id/3

Dòng điện pha nguồn chính là dòng đi qua van mắc vào pha đó Trên hình diễn tả

chiều

Góc điều khiển giới hạn đã rút gọn:

2 3

sin[30o ( ] sin[30o ( Q



1.2.4 Chỉnh lưu cầu ba pha

a

b

c

Ud

Rd

T6

Id

Ia id

Hình 1.2.4 chỉnh lưu hình cầu 3 pha tải RL và các chế độ dòng điện

Điện áp ud không dựng cụ thể trên đồ thị chỉ thể hiện sự biến thiện của hai điện áp:

chung uac khi các van nhóm chẵn dẫn Từ hai điện áp này ta suy ra điện áp ud = ukc - uac

Ta vẫn thấy điện áp ud có đoạn âm khi ukc < uac (đường ukc nằm thấp hơn đường uac) Giá trị trung bình Ud:

0cos 2cos

U  U  U 

Dòng điên tải id vẫn coi là phẳng :

d

d

U

R



 

(1.2.3)

Dòng điện qua mỗi van dẫn trong khoảng 2π/3 với giá trị tức thời bằng Id, song trị

số trung bình Itbv=Id/3

Dòng điện pha nguồn là dòng đi qua 2 van mắc vào pha đó Trên đồ thị thể hiện

chiều, đây chính là ưu điểm của sơ đồ cầu so với sơ đồ hình tia

Góc điều hiện giới hạn biến đổi thành biểu thức cụ thể sau:

3

sin[60o ( sin[60o ( )] Q





(1.2.4)

1.2.5 Chỉnh lưu bán điều khiển

1 Chỉnh lưu cầu 1 pha

a, chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung

Nhóm catot chung là các tiristo nên chúng được mở ở các thời điểm α của nó

u2 bắt đầu âm; Đ2 mở khi u2 bắt đầu dương Do vậy sự dẫn của các van trong chu kỳ dưới là:

 Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn

 Trong khoảng π÷(π+α): T1Đ1 dẫn do ở π, θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa

dẫn làm cho T1 khóa

 Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mởtự nhiên ở điểm 2π

Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hang của hai van: T1Đ1 và

T2Đ2, do đó ở những đoạn này tải bị ngắn mạch nên ud=0 (các đoạn còn lại ud bám theo điện áp nguồn) Như vậy dòng id vẫn liên tục, song song i2 lại đứt đoạn do dòng tải id chảy quấn qua 2 van thẳng hang mà không về nguồn Điều này có lợi về khía cạnh năng lượng,

vì năng lượng khồn bị trả về nguồn mà giữ lại trong tải

i2

id

Ld

Rd

T2

U2

α/2 i2 ID2 ID1 IT2 IT1

I2(1)

Hình 1.2.5 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung và đồ thị

Dạng điện áp ud trở lại giống như chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở, do vậy quy luật ud là:

0.9

(1.2.5)

Dòng tải:

d d d

U I R





Các van dẫn một khoảng đều nhau là π, do vậy trị số trung bình của dòng qua van vẫn là Id /2

B, Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng

Trong sơ đồ này các diốt Đ1,Đ2 vẫn mở tự nhiên ở đầu các nửa chu kỳ: Đ1 mở khi

u2 âm; Đ2 mở khi u2 dương Các tiristo mở theo góc α, Tuy nhiên các van khóa theo nhóm: Đ1 dẫn sẽ làm T1 (cùng nhóm catot chung) khóa, T1 dẫn thì Đ1 khóa Tương tự Đ2

dẫn thì T2 khóa và ngược lại

U2

T1

D1 Ud

Id

Ld

Rd

Ud

i2 ID2 iD1 iT2 IT1

α π π+α 2 π 2π+α

α π

π+α 2 π

2π+α

Hình 1.2.6 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng và đồ thị

Do vậy có các giai đoạn là:

 Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn ud=u2

 Trong khoảng π÷(π+α): Đ1Đ2 dẫn, Đ1 dẫn ở π và làm T1 khóa, T2 chưa dẫn nên Đ2 còn mở chưa khóa

 Trong khoảng (π+α)÷2π: T2Đ1, T1 dẫn làm Đ2 khóa, ud=-u2

 Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn

Dạng điện áp ud tương tự sơ đồ trước nên:

2

1 cos 0.9

2

d

(1.2.6)

d d d

U I R





Song đồ thị dẫn của van cho thấy chúng dẫn không đều nhau:

Tiristo dẫn trong khoảng (π-α);

Diot dẫn trong khoảng (π+α);

Vì vậy dòng trung bình qua van là:

ir

1



 





0

1

2 Chỉnh lưu cầu ba pha

a

b

c

Ud Rd

T2

Ld

θ4 θ5 θ6

θ1 θ2 θ3

Ud

T1 T2 T3 D3 D2 D1

Hình 1.2.7 Chỉnh lưu bán điều khiển cầu 3 pha và đồ thị

Khi làm việc, các diốt chuyển mạch tự nhiên, còn các tiristo chuyển mạch tại các góc điều khiển α Khi α<60o điện áp ud luôn lớn hơn 0 Nhưng khi α>60o sẽ xuất hiện các giai đoạn 2 van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời:

0cos 2cos

U  U  U  1÷2: T3Đ3 dẫn;

3÷4: T1Đ1 dẫn;

5÷6: T2Đ2 dẫn;

Do vậy trong các đoạn này điện áp ud = 0 và dòng điện id chảy trong tải mà không chảy về nguồn nên năng lượng được giữ lại ở tải, không bị trả về nguồn

lưu hình tia nối tiếp:

 Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T2, T3 cho điện áp:

0 cos 2cos

U  U  U 

 Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm Đ1, Đ2, Đ3, cho điện áp:

0 0 1.17 2

Vậy tổng lại: U d U d tia0 U d tia0 cos U d tia0 (1 cos ) 1.17 a  U2(1 cos ) a

Vì chỉnh lưu cầu có U d0 2U d tia0 2.34U2 nên quy đổi biểu thức trên sang dạng cầu ta có:

2.34

(1.2.8) Mạch cầu 3 pha bán điều khiển có ưu điểm là điều khiển đơn giản hơn, tiết kiệm năng lượng hơn Song cũng có nhược điểm là số đập mạch trong toàn dải điều chỉnh bằng 3: mđm = 3, chỉ ở α = 0 mới có mđm = 6 như sơ đồ cầu điều khiển

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN MẠCH ĐỘNG

LƯC 2.1 ĐIỆN ÁP NGƯỢC CỦA VAN

Ungmax = 2.45 U2 =2,45x220=539(V)

Ta có:

3 6 1 cos( 30 )









Trong đó: Ud0 : Điện áp tải của van khi α=0

U2 : trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn (U2=220V)

Ungmax : Điện áp ngược của van

Ud: Điện áp tải của van khi α (Ud=100V)

Từ đó ta có: α = 41

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp làm việc cần chọn phải lớn hơn điện áp ngược max

Ulv = kdt u Ungmax = 1,8 × 539 = 970.2 (V)

Trong đó: kdt u : hệ số dự trữ ( kdt u =1,5÷ 1,8)

2.2 DÒNG ĐIỆN LÀM VIỆC CỦA VAN

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van

I2 = Ihd

Dòng điện hiệu dụng Ihd = khd Id = khd

d d

P

3

7,5.10

Trong đó: khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.(khd =0,58)

Ihd : Dòng điện hiệu dụng của van

Id : Dòng điện tải

Ilv = ki I2 = 1,4×43.50 = 60.91 (A)

Trong đó: Ki : hệ số dự trữ dòng điện ki=(1,1÷1,4)

Vậy thông số van là: Unv = 376.92 (V)

Idm v = 60.90 (A)