bài tập lớn điện tử công suất mạch chỉnh lưu

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 trình biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện chiều cách sử dụng phần tử bán dẫn công suất Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu: Lọc Biến áp Van CL Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Khối biến áp dùng để chuyển từ điện áp lưới điện xoay chiều U sang điện áp U2 thích hợp với tải Ngoài khối biến áp biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu mạch van chỉnh lưu Thông thường số pha lưới lớn Mạch van cần số pha 1,3,6,12 Trong số trường hợp mà nguồn lưới phù hợp với yêu cầu khối van chỉnh lưu bỏ qua máy biến áp Khối van CL gồm van bán dẫn ( điốt tiristo) mắc theo cách định để tiến hành trình chỉnh lưu Khối Lọc có tác dụng làm cho điện áp đầu mạch chỉnh lưu điện áp chiều phẳng theo yêu cầu 1.1.2 Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau: a Dựa theo số pha nguồn cấp cho mạch van: 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 hai loại điốt triristo: chỉnh lưu bán điều khiển c Dựa theo sơ đồ mắc van với Sơ đồ hình tia : Trong sơ đồ số van dùng cho chỉnh lưu số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu Các van đấu chung đầu với nhau: A chung, K chung Sơ đồ hình cầu: Trong sơ đồ số lượng van gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu, nửa số van mắc chung A , nửa số van mắc chung K 1.1.3 Các tham số Các tham số dùng để đánh giá tiêu kỹ thuật mạch chỉnh lưu: Ud : giá trị điện áp trung bình nhận sau mạch van chỉnh lưu T Ud = 1 u d (t ) dt = ∫ T 2π 2π ∫u d (θ )dθ Chapter Section Equation (1.1.1) Id : Dòng điện trung bình nhận sau mạch van chỉnh lưu Id = 2π 2π ∫i d (θ ) dθ (1.1.2) Pd= Ud Id công suất chiều mà tải nhận từ mạch chỉnh lưu Ivtb : dòng trung bình qua van Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu 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 tùy góc mở tải có hai dạng dòng i d khác nhau, gọi tên riêng chế độ dòng liên tục chế độ dòng liên tục gián đoạn Hình 1.2.1 Chỉnh lưu hình tia pha tải RL chế độ dòng điện Phương trình dòng diện: ud = L did + Rid = 2U sin θ dt Chuyển sang dạng toán tử Laplace: ( ) L pI d ( p) − id (0) + RI d ( p) = 2U ω p +ω2 Đặt sơ kiện Id(0)=I0 thay vào phương trình trên: I d ( p) = I0 ω + 2U p+ R/L L( p + R / L ) p + ω ( ) Giải phương trình với hàm: 1  − bt b   → e + sin ωt − cos ωt  2  ω ( p + b)( p + b ) ω +b    → e −bt p+b X = ωL X tg ϕ = R −R θ id = I e X + −R θ    sin(θ − ϕ ) + sin ϕ e X    R2 + X   2U (1.2.1) Đối với sơ đồ chỉnh lưu 1pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa, thời điểm điểm M lớn điểm N nên không dùng đến diode hoàn lượng mở 1.2.2 Chỉnh lưu cầu pha Mạch chỉnh lưu gồm van Đ1 ÷ Đ2 đấu thành hai nhóm: nhím catốt chung gồm Đ1Đ3, nhóm anốt chung gồm Đ2Đ4.nguồn xoay chiều đưa vào mạch van lấy trực tiếp từ lưới điện thông biến áp Tại thời điểm góc θ = ÷ α điện áp u < T1T2 dẫn, chu kỳ θ = π có T 3T4 dẫn nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại ud θ θ θ θ Id id Id iT1,3 iT2,4 α π+α R u2 ud u1 T1 T3 T2 T4 L Hình 1.2.2 chỉnh lưu hình cầu pha tải RL chế độ dòng điện Tại thời điểm góc θ = ÷ α điện áp u < T1T2 dẫn, chu kỳ θ = π có T 3T4 dẫn nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại Dòng tải id dòng liên tục , id = Id Phương trình mạch tải: u2 + eL = Rid 2U sin θ = Ri d + X Lấy tích phân từ α → π + α chia cho π Tại θ = α θ = π + α id = Id , ta có: did dθ π +α R π +α XI ∫ 2U sin θdθ = π ∫α i d dθ + π I∫ did π α d d Ud = RId  Ud = Trong 2U cos α π Trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp: π+α π +α I2 = ∫ i d dθ = π ∫α I d dθ π α  1.2.3 I2 = Id Chỉnh lưu hình tia ba pha Hình 1.2.3 chỉnh lưu hình tia pha tải RL chế độ dòng điện Mạch van gồm tiristor T 1T2T3 mắc thành nhóm, kiểu catốt chung, chúng hoạt động theo quay luật dẫn Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van nguồn ba pha đối xứng ua, ub, uc Điện áp ud xuất giai đoạn âm, giá trị trung bình điện áp này: U dα = U d cos α = 1.17U cos α Dòng điện id phẳng giả thuyết Ld lớn (thường giá trị Ld=∞) có trị số bằng: Id = U dα Rd λ= Dòng điện qua van tồn khoảng Id, song giá trị trung bình van Itbv = Id/3 2π có trị số tức thời Dòng điện pha nguồn dòng qua van mắc vào pha Trên hình diễn tả dòng iA dòng chảy qua nguồn pha A mắc với tiristo T Dòng dòng chiều Góc điều khiển giới hạn rút gọn: sin[30o − (α gh − ϕ )] = sin[30o + (α gh − ϕ )]e − 2π 3Q (1.2.2) 1.2.4 Chỉnh lưu cầu ba pha Hình 1.2.4 chỉnh lưu hình cầu pha tải RL chế độ dòng điện Điện áp ud không dựng cụ thể đồ thị thể biến thiện hai điện áp: điện áp điểm catot chung ukc van nhóm lẻ thay dẫn, điện áp anot chung uac van nhóm chẵn dẫn Từ hai điện áp ta suy điện áp u d = ukc - uac Ta thấy điện áp u d có đoạn âm ukc < uac (đường ukc nằm thấp đường u ac) Giá trị trung bình Ud: U dα = U d cos α = 2.34U cos α id = I d = Dòng điên tải id coi phẳng : U dα Rd (1.2.3) Dòng điện qua van dẫn khoảng 2π/3 với giá trị tức thời I d, song trị số trung bình Itbv=Id/3 Dòng điện pha nguồn dòng qua van mắc vào pha Trên đồ thị thể dòng pha A hai đoạn dòng qua T T4 tạo thành Ta thấy dòng nguồn dòng xoay chiều, ưu điểm sơ đồ cầu so với sơ đồ hình tia Góc điều giới hạn biến đổi thành biểu thức cụ thể sau: sin[60 − (α gh − ϕ )] = sin[60 + (α gh − ϕ )]e o o − π 3Q (1.2.4) 1.2.5 Chỉnh lưu bán điều khiển Chỉnh lưu cầu pha a, chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung Nhóm catot chung tiristo nên chúng mở thời điểm α Nhóm anot chung van diot nên chúng mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ mở u2 bắt đầu âm; Đ2 mở u2 bắt đầu dương Do dẫn van chu kỳ là: • Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn • Trong khoảng π÷(π+α): T1Đ1 dẫn π, θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa • Trong khoảng (π+α)÷2π: T2Đ1 dẫn, T2 phát xung mở điểm (π+α) dẫn làm cho T1 khóa • Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên điểm 2π Qua ta thấy có hai đoạn có tượng dẫn thẳng hang hai van: T 1Đ1 T2Đ2, đoạn tải bị ngắn mạch nên u d=0 (các đoạn lại u d bám theo điện áp nguồn) Như dòng id liên tục, song song i2 lại đứt đoạn dòng tải id chảy quấn qua van thẳng hang mà không nguồn Điều có lợi khía cạnh lượng, lượng khồn bị trả nguồn mà giữ lại tải Hình 1.2.5 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung đồ thị Dạng điện áp ud trở lại giống chỉnh lưu điều khiển với tải trở, quy luật ud là: U dα = U d + cos α + cos α = 0.9U 2 Id = Dòng tải: (1.2.5) U dα Rd Các van dẫn khoảng π, trị số trung bình dòng qua van Id /2 B, Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng Trong sơ đồ diốt Đ 1,Đ2 mở tự nhiên đầu nửa chu kỳ: Đ mở u2 âm; Đ2 mở u2 dương Các tiristo mở theo góc α, Tuy nhiên van khóa theo nhóm: Đ1 dẫn làm T1 (cùng nhóm catot chung) khóa, T dẫn Đ1 khóa Tương tự Đ2 dẫn T2 khóa ngược lại Hình 1.2.6 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng đồ thị Do có giai đoạn là: • • Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn ud=u2 Trong khoảng π÷(π+α): Đ1Đ2 dẫn, Đ1 dẫn π làm T1 khóa, T2 chưa dẫn nên Đ2 mở chưa khóa • Trong khoảng (π+α)÷2π: T2Đ1, T1 dẫn làm Đ2 khóa, ud=-u2 • Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn Ta thấy có đoạn có van mắc thẳng hàng dẫn với Đ 1Đ2, tải lại bị ngắn mạch nên có đoạn này: ud=0 Dạng điện áp ud tương tự sơ đồ trước nên: U dα = 0.9U + cos α (1.2.6) U I d = dα Rd Song đồ thị dẫn van cho thấy chúng dẫn không nhau: Tiristo dẫn khoảng (π-α); Diot dẫn khoảng (π+α); Vì dòng trung bình qua van là: I tbtiristo = I tbdiot 2π = 2π ∫ π α ∫ I d dθ = π +α π −α Id 2π π +α I d dθ = Id 2π Chỉnh lưu cầu ba pha (1.2.7) (1.2.8) Hình 1.2.7 Chỉnh lưu bán điều khiển cầu pha đồ thị Khi làm việc, diốt chuyển mạch tự nhiên, tiristo chuyển mạch góc điều khiển α Khi α60 o xuất giai đoạn van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời: U dα = U d cos α = 1.17U cos α θ1 θ ÷ : T3Đ3 dẫn; θ3 θ ÷ : T1Đ1 dẫn; θ5 θ6 ÷ : T2Đ2 dẫn; Do đoạn điện áp u d = dòng điện id chảy tải mà không chảy nguồn nên lượng giữ lại tải, không bị trả nguồn Quy luật điện áp Udα suy từ lý luận mạch cầu tương đương mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp: • Chỉnh lưu hình tia pha điều khiển gồm T1, T2, T3 cho điện áp: U dα = U d 0tia cos α = 1.17U cos α • Chỉnh lưu hình tia pha không điều khiển gồm Đ1, Đ2, Đ3, cho điện áp: U d = U d 0tia = 1.17U Vậy tổng lại: U dα = U d 0tia + U d 0tia cos α = U d 0tia (1 + cos a) = 1.17U (1 + cos a) Vì chỉnh lưu cầu có cầu ta có: U dα = U d cau U d = 2U d tia = 2.34U + cos α + cos α = 2.34U 2 nên quy đổi biểu thức sang dạng (1.2.8) Mạch cầu pha bán điều khiển có ưu điểm điều khiển đơn giản hơn, tiết kiệm lượng Song có nhược điểm số đập mạch toàn dải điều chỉnh 3: mđm = 3, α = có mđm = 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: U dα = + cos(α + 30°) U2 2π Trong đó: Ud0 : Điện áp tải van α=0 U : trị số hiệu dụng điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn (U2=220V) Ungmax : Điện áp ngược van U dα : Điện áp tải van α ( Từ ta có: α = 41 U dα =100V) ° Để chọn van theo điện áp hợp lý điện áp làm việc cần chọn phải lớn 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 van chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van I2 = Ihd Dòng điện hiệu dụng Ihd = khd Id = khd Pd Ud = 0,58 7,5.103 100 =43.50(A) Trong đó: khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.(khd =0,58) Ihd : Dòng điện hiệu dụng 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) ... suất chiều mà tải nhận từ mạch chỉnh lưu Ivtb : dòng trung bình qua van Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu làm việc 1.2 MỘT SỐ MẠCH CHỈNH LƯU 1.2.1 Chỉnh lưu hình tia hai pha Khi... van chỉnh lưu T Ud = 1 u d (t ) dt = ∫ T 2π 2π ∫u d (θ )dθ Chapter Section Equation (1.1.1) Id : Dòng điện trung bình nhận sau mạch van chỉnh lưu Id = 2π 2π ∫i d (θ ) dθ (1.1.2) Pd= Ud Id công suất. .. cho mạch chỉnh lưu, nửa số van mắc chung A , nửa số van mắc chung K 1.1.3 Các tham số Các tham số dùng để đánh giá tiêu kỹ thuật mạch chỉnh lưu: Ud : giá trị điện áp trung bình nhận sau mạch