GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Chỉnh lưu pha Bộ chỉnh lưu pha chia thành hai loại: chỉnh lưu pha nửa sóng chỉnh lưu pha sóng Trong phần đây, trình bày nguyên lý loại chỉnh lưu phân tích so sánh thông số tổng kết bảng tổng hợp Để đơn giản, ta coi diode lý tưởng, có nghĩa chúng có điện áp thuận không thời gian phục hồi tính ngược không Giả thiết thông thường phù hợp với trường hợp chỉnh lưu diode cho nguồn xoay chiều tần số thấp điện áp thuận nhỏ so với biên độ điện áp nguồn Hơn nữa, giả thiết có nghĩa tải mang tính chất điện trở dạng sóng dòng áp tải tương tự Phần 2.5 trình bày hệ thống lọc chỉnh lưu, ảnh hưởng tải điện cảm điện dung xem xét kỹ 2.1.1 Chỉnh lưu pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu pha đơn giản thể hình 2-1, sử dụng diode, cấp điện từ cuộn thứ cấp máy biến áp xoay chiều Trong nửa sóng dương diode dẫn, nửa sóng âm diode không dẫn Với giả thiết máy biến áp có trở kháng không sóng nguồn xoay chiều có dạng sin, dạng sóng điện áp dòng điện tải R, điện áp dòng điện diode thể hình 2-5 Hình 2-1: Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu pha nửa sóng Theo đồ thị dạng sóng điện áp, biên độ điện áp ngược (peak inverse voltage PIV) diode Vm nửa sóng âm Từ VRRM diode phải chọn lớn Vm để tránh bị đánh thủng Trong nửa chu lỳ dẫn, dòng điện thuận IF diode dòng điện qua tải nên IFRM phải chọn lớn dòng điện lớn tải Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Bên cạnh đó, dây quấn thứ cấp máy biến áp chịu dòng điện chiều,có thể gây nên tượng bão hòa lõi thép 2.2.2 Chỉnh lưu pha sóng Có hai loại chỉnh lưu pha sóng: chỉnh lưu với cuộn thứ cấp máy biến áp có điểm chỉnh lưu cầu Nguyên lý chỉnh lưu với điểm cuộn thứ cấp máy biến áp thể hình 2-6 Từ sơ đồ thấy diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc mạch chỉnh lưu nửa sóng Đầu hai mạch chỉnh lưu kết hợp với tạo thành mạch chỉnh lưu sóng cho tải Hơn dòng điện chiều hai nửa chu kỳ ngược chiều cuộn thứ cấp không gây nên vấn đề liên quan đến bão hòa từ lõi thép Dạng sóng điện áp dòng điện chỉnh lưu sóng hình 2-6 Theo đồ thị điện áp diode vD1 vD2, biên độ điện áp ngược diode 2Vm Do điện áp ngược cực đại lặp lại diode VRRM phải chọn lớn 2Vm để tránh bị đánh thủng Lưu ý, chỉnh lưu pha sóng có điện áp chiều gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa sóng Khi dẫn, diode chịu dòng điện thuận dòng điện tải, IFRM phải chọn lớn biên độ dòng điện tải, Vm / R Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu pha sóng, cuộn thứ cấp có điểm Chỉnh lưu pha sóng mạch cầu sử dụng diode điểm cuộn thứ cấp máy biến áp hình 2-7 Trong nửa chu kỳ dương cuộn thứ cấp, dòng điện chạy qua diode D1 D2 Nửa chu kỳ âm, D3 D4 dẫn điện Dạng sóng dòng , áp chỉnh lưu cầu thể hình 2-7 Giống trường hợp chỉnh lưu sóng có điểm máy biến áp, dòng điện thuận cực đại IFRM diode cần phải chọn cao biên độ dòng điện tải Vm / R Và biên độ điện áp ngược diode giảm từ 2Vm xuống Vm thời điểm không dẫn GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-7: Sơ đồ chỉnh lưu pha sóng mạch cầu 2.2.3 Thông số chỉnh lưu 2.2.3.1 Điện áp chỉnh lưu: Điện áp chiều điện áp trung bình tải xác định theo biểu thức: 1T Vd   v L ( t )dt T0 (2-1) Trường hợp nửa sóng, theo đồ thị dạng sóng, điện áp vL(t) = nửa sóng âm, chu kỳ tính theo góc ω = 2π = T, điện áp trung bình trường hợp này:  Vd  Vm sin(t )dt 2 0 Vd  Vm   0,318Vm (2-2) (2-3) Trường hợp sóng, theo đồ thị dạng sóng, ta có v L ( t )  Vm sin t hai nửa sóng Từ ta có biểu thức điện áp trung bình:  Vd   Vm sin(t )dt (2-4) Vd  2Vm   0,636Vm (2-5) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Trị hiệu dụng điện áp tải VL 1T VL   v L ( t )dt T0 (2-6) Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, điện áp vL(t) = nửa sóng âm:  VL  (Vm sin t ) dt  2 Vm  0,5Vm Vd  (2-7) (2-8) Trường hợp chỉnh lưu sóng, v L ( t )  Vm sin t nửa dương nửa âm chu kỳ: 1 (V  VL  m sin t ) dt (2-9) Vd  Vm  0,707Vm (2-10) 2.2.3.2 Dòng điện chỉnh lưu Dòng điện chỉnh lưu dòng điện trung bình tải, tải trở nên ta có: Id  Vd R (2-11) Trị hiệu dụng dòng điện tải IL  VL R (2-12) Trị số dòng điện chỉnh lưu pha: Nửa sóng: Id  0,318Vm R 0,5Vm R 0,636Vm Id  R IL  Cả sóng: IL  0,707Vm R (2-13) (2-14) (2-15) (2-16) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.2.3.3 Tỷ số chỉnh lưu Tỷ số chỉnh lưu dùng để đánh giá hiệu sử dụng thiết bị chỉnh lưu tính theo biểu thức:  Pd Vd I d  PL VL I L (2-17) Nửa sóng: (0,318Vm )   40,5% (0,5Vm ) (2-18) Cả sóng: (0,318Vm )   81% (0,707Vm ) (2-19) 2.2.3.4 Hệ số hình dạng (Form Factor) Hệ số hình dạng đinh nghĩa tỷ số giá trị hiệu dụng dòng áp trị số trung bình: FF  VL Vd (2-20) Nửa sóng: FF  0,5Vm  1,57 0,318Vm (2-21) Cả sóng: FF  0,707Vm  1,11 0,636Vm (2-22) 2.2.3.5 Hệ số gợn sóng (Ripple factor) Hệ số gợn sóng xác định biểu thức: RF  Vac Vd (2-23) Trong điện áp xoay chiều xác định theo biểu thức Vac  VL2  Vd2 (2-24) V  RF   L    FF2   Vd  (2-25) Nửa sóng: RF  FF2   1,57   1,21 (2-26) Cả sóng: RF  FF2   1,112   0,482 (2-27) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.2.3.6 Hệ số sử dụng biến áp (Transfomer Utilization Factor) Hệ số sử dụng biến áp xác định tỷ số công suất dòng điện chỉnh lưu với công suất toàn phần xoay chiều TUF  Pd Vd I d  Pac Vs I s (2-28) Trong đó: Vs Is – giá trị hiệu dụng dòng áp xoay chiều Vm (2-29)  0,707Vm Giá trị dòng điện xoay chiều thứ cấp biến áp giá trị hiệu dụng dòng điện tải IL Vs  Nửa sóng: Cả sóng: 0,5Vm R 0,707Vm Is  R Is  (2-30) (2-31) Do đó, TUF chỉnh lưu nửa sóng xác định cách thay biểu thức 2-3; 2-13; 2-29 2-30 vào biểu thức 2-28 0,3182 TUF   0,286 0,707.0,5 (2-32) Giá trị hệ số TUF chỉnh lưu nửa sóng nhỏ, có nghĩa dung lượng máy biến áp cần 3,496 (1 / 0,286) VA cho 1W công suất tải đầu Ngoài cuộn thứ cấp phải tải dòng điện chiều gây bão hòa từ lõi thép Như chỉnh lưu pha nửa sóng áp dụng cho trường hợp công suất dòng điện nhỏ Trường hợp sóng cuộn thứ cấp có điểm giữa, mạch điện tương đương với hai mạch nửa sóng làm việc song song, công suất cuộn thứ cấp VsIs tăng gấp lần Tuy nhiên công suất chỉnh lưu đầu lại tăng gấp lần hệ số chỉnh lưu tăng biểu thức 2-5 2-15 Hệ số TUF chỉnh lưu sóng với biến áp có điểm xác định từ biểu thức 2-32: 4.0,3182 TUF   0,572 2.0,707.0,5 (2-33) Trường hợp chỉnh lưu cầu, hệ số TUF cao sơ đồ chỉnh lưu pha, nguyên nhân dòng điện cuộn sơ cấp thứ cấp dạng sin liên tục Hệ số TUF: TUF  0,636  0,81 0,707 (2-34) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Công suất cuộn sơ cấp trường hợp chỉnh lưu sóng chỉnh lưu cầu dòng điện sơ cấp hai trường hợp dòng điện sin liên tục 2.2.3.7 Sóng hài Chỉnh lưu sóng với tải điện trở không gây sóng hài bâc cao dòng điện xoay chiều máy biến áp Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, sóng hài xuất với biên độ xác định theo tỉ lệ với thành phần trình bày bảng 2-1 Những tổn hao liên quan đến sóng hài dòng điện chỉnh lưu với tải điện trở thường bị bỏ qua bở chúng không lớn hi so sánh với tổn hao khác Tuy nhiên với tải phi tuyến, sóng hài nguyên nhân gây nên tổn hao đáng kể vấn đề hệ số công suất thấp Bảng 2-1: Tỉ lệ sóng hài bậc cao chỉnh lưu nửa sóng tải trở Bậc sóng hài Tỉ lệ % so với sóng 21,2 4,2 1,8 1.01 2.2.4 Thông số thiết kế Trong thiết kế, mục đích thường thông số dòng điện chỉnh lưu đầu chủ yếu điện áp Vd, để thuận lợi ta đưa công thức dạng tham số Vd Đối với dòng điện xoay chiều giá trị hiệu dụng (Vs) sử dụng phổ biến thuận lợi so với biên độ (Vm) Quan hệ trị hiệu dụng biên độ đại lượng xoay chiều sin theo biểu thức Vm  2Vs - Điện áp thứ cấp hiệu dụng: Nửa sóng: Vs  2,22Vd (2-35) Cả sóng: Vs  1,11Vd (2-36) - Điện áp ngược cực đại lặp lại (VRRM): Nửa sóng: VRRM  Vm  Vd  3,14Vd 0,318 (2-37) Trường hợp sóng dùng sơ đồ cuộn thứ cấp có điểm giữa: VRRM  2Vm  2Vd  3,14Vd 0,636 (2-38) Trường hợp sóng mạch cầu: VRRM  Vm  Vd  1,57Vd 0,636 (2-39) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng - Dòng điện thuận cực đại lặp lại (IFRM) Nửa sóng: I FRM  I Vm  d  3,14I d R 0,318 (2-40) Cả sóng: I FRM  I Vm  d  1,57I d R 0,636 (2-41) Thông số thiết kế chỉnh lưu pha tổng kết bảng 2-2 Bảng 2-2: Thông số thiết kế chỉnh lưu pha Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr 3.14Vdc 2.22Vdc 1.00Idc 3.14IF(AV) 1.57Idc Cả sóng (cuộn thứ cấp có điểm giữa) 3.14Vdc 1.11Vdc 0.50Idc 1.57IF(AV) 0.785Idc 1.57 1.57 1.57 0.405 1.57 1.21 2.69Pdc 3.49Pdc 1fi 0.81 1.11 0.482 1.23Pdc 1.75Pdc 2fi 0.81 1.11 0.482 1.23Pdc 1.23Pdc 2fi Nửa sóng Cả sóng (mạch cầu) 1.57Vdc 1.11Vdc 0.50Idc 1.57IF(AV) 0.785Idc 2.3 Chỉnh lưu ba pha Các chỉnh lưu pha áp dụng công suất nhỏ, tải công suất lớn 15kW phải sử dụng chỉnh lưu ba pha nhiều pha Bộ chỉnh lưu ba pha có hai loại: chỉnh lưu tia chỉnh lưu cầu 2.3.1 Chỉnh lưu tia ba pha 2.3.1.1 Chỉnh lưu tia ba pha Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha vẽ hình 2-8, thấy sơ đồ tương đương với sơ đồ chỉnh lưu pha nửa sóng làm việc Trong số trường hợp gọi chỉnh lưu ba pha nửa sóng Diode pha dẫn điện áp pha có diode cao hai pha lại Dạng sóng điện áp pha tải thể hình 2-8 Không giống chỉnh lưu pha góc dẫn diode π, góc dẫn 2π/3 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Xét pha u1, diode dẫn khoảng π/6 ÷ 5π/6, điện áp trung bình 5 / Vd  2 Vd  3 Vm  0,827Vm   Vm sin t.dt (2-42)  /6 (2-43) Hình 2-8: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha Giá trị hiệu dụng: VL  2 5 /  Vm sin t  dt  0,84Vm (2-44)  3    3    (2-45)  /6 Hoặc VL  Vm 2 Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp: Is  I m 2  3       0,485.I m   (2-46) Trong đó: Im = Vm / R Các thông số thiết kế chỉnh lưu tia ba pha nửa sóng liệt kê bảng tổng hợp chỉnh lưu ba pha GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Bảng 2-3: Thông số chỉnh lưu ba pha Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr Tia ba pha kép Cầu ba pha 2.092Vdc 0.855Vdc 0.333Idc 1.06Vdc 0.855Vdc 1.05Vdc 0.428Vdc 0.167Idc 0.333Idc 3.63IF (AV) 0.587Idc 3.15IF (AV) 0.293Idc 3.14IF (AV) 0.579Idc 1.76 1.76 1.74 0.968 1.0165 0.182 1.23Pdc 1.51Pdc 3fi 0.998 1.0009 0.042 1.06Pdc 1.49Pdc 6fi 0.998 1.0009 0.042 1.05Pdc 1.05Pdc 6fi Tia ba pha 2.3.1.2 Chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm Hiện tượng bão hòa từ lõi thép máy biến áp chỉnh lưu tia ba pha khắc phục cách bố trí dây quấn đặc biệt cuộn thứ cấp, biết đến cách nối dây zic-zắc Chỉnh lưu loại gọi sơ đồ chỉnh lưu ba pha có điểm sơ đồ chỉnh lưu zíc-zắc, hình Mỗi dây quấn thứ cấp chia làm phần lệch π / nối tiếp, từ trường dòng điện chiều hai phần dây quấn thứ cấp thời điểm ngược chiều Với việc bố trí thêm cuộn thứ cấp (nâng hệ số yêu cầu công suất từ 1.51 lên 1.74 VA/W), sơ đồ hạn chế ảnh hưởng tượng bão hòa lõi thép hạ hệ số yêu cầu công cuộn sơ cấp xuống mức thấp 1.05 VA/W Ngoài thông số hệ số yêu cầu công suất, tất thông số chỉnh lưu sơ đồ giống chỉnh lưu tia ba pha (do không liệt kê bảng tổng hợp chỉnh lưu ba pha) Hơn cách nối dây sơ cấp hình không dùng trunh tính cho phép tổng dòng điện pha thời điểm không Hình 2-9: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển 2.3.1.3 Chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối trung tính Sơ đồ chỉnh lưu loại chủ yếu kết cấu từ hai mạch chỉnh lưu tia ba pha, điểm trung tính, hai cụm ba pha thứ cấp nối Y, liên kết thông qua máy biến áp cuộn điện kháng (hình 2-10) Cực tính hai cụm dây quấn nối Y ngược nhau, điện áp chỉnh lưu cụm đạt cực tiểu điện áp chỉnh lưu cụm đạt cực đại hình 2-10 Với cấu trúc hoạt động chỉnh lưu loại này, điện áp chỉnh lưu vL trung bình hai chỉnh lưu v1 v2 Thêm đó, tần số gợn sóng điện áp đầu lần tần số nguồn xoay chiều dung lượng lọc (nếu cần) nhỏ Trong sơ đồ, dòng điện hai cụm ba pha ngược chiều nhau, ảnh hưởng từ trường dòng điện chiều bị loại bỏ Sự đối xứng dòng điện thứ cấp, dòng điện sơ cấp có tổng pha không, dây quấn sơ cấp không cần nối trung tính Hình 2-10: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối điểm trung tính 2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha Chỉnh lưu cầu ba pha thường sử dụng có yêu cầu công suất cao khả tận dụng cao công suất máy biến áp Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha trình bày hình 2-11 Các diode đánh số cho chúng dẫn góc 2π/3 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-11: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Trình tự dẫn diode: 12, 23, 34, 45, 56, 61… Dạng sóng điện áp dòng điện trình bày hình 2-11, điện áp dây gấp 1,73 lần điện áp pha Ở cho phép sử dụng cách nối (Y/Δ) cho dây quấn sơ cấp thứ cấp dòng điện cuộn thứ cấp đối xứng Điện áp trung bình: Vd  2 Vd  2 /   /3 3  3Vm sin t.dt Vm  1,654Vm (2-47) (2-48) Điện áp hiệu dụng VL  2 /  Vm sin t  dt  VL  Vm (2-49)  /3   1,655Vm 4 (2-50) Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp: Is  I m  3     0,78.I m    (2-51) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Giá trị hiệu dụng dòng điện qua diode ID  Im  3     0,552.I m    (2-52) Theo biểu thức 2-48; 2-50; 2-51 2-52 thông số thiết kế quan trọng chỉnh lưu tia ba pha liệt kê bảng 2-3, điện áp chiều chỉnh lưu lớn nhiều so với biên độ điện áp pha 2,34 trị hiệu dụng Điện áp ngược cực đại VRRM diode phải chịu lớn điện áp chiều dc 1,05 lần Dòng điện thuận cực đại IFRM diode 0,579 dòng điện chiều Như vậy, chỉnh lưu ba pha cầu có hiệu phổ biến có yêu cầu cao dòng điện điện áp chiều Trong nhiều thiết bị, chỉnh lưu cầu ba pha không cần có thêm mạch lọc độ gợn sóng điện áp có 4,2%, cần thiết phải dùng mạch lọc dung lượng lọc nhỏ tần số gợn sóng lớn gấp lần tần số nguồn xoay chiều 2.3.3 Hoạt động chỉnh lưu với giá trị định điện cảm nguồn Như giả định phần trước, chuyển mạch dòng điện từ diode sang diode khác diễn van có điện áp phân cực thuận cần thiết Trong thực tế, điều khó xảy nguyên nhân có lượng điện cảm định gắn với nguồn Với mục đích giải thích tác động điện cảm nguồn, sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với điện cảm tản máy biến áp vẽ hình 2-12, L1, L2, L3 biểu diễn cho điện cảm tản dây quấn thứ cấp máy biến áp Theo hình 2-12, điện áp vYN lớn vRN điện cảm L1, dòng điện D1 giảm xuống Tương tự với điện cảm L2, dòng điện D2 tăng đến giá trị ổn định Kết quả, hai diode dẫn khoảng thời gian gọi góc đồng dẫn Góc đồng dẫn làm giảm điện áp chỉnh lưu vL hình 2-12 Nếu điện cảm tản nhau: L1 = L2 = L3 = Lc, lượng điện áp suy giảm tính gần m.fi.Lc.Idc, đó: m – tỉ số tần số gợn sóng với tần số nguồn xoay chiều Ví dụ: chỉnh lưu tia ba pha từ nguồn xoay chiều 60Hz với dòng điện tải trung bình 50A, suy giảm điện áp chiều đầu 2,7V điện cảm tảm cuộn thứ cấp 300μH GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-12: Chỉnh lưu tia ba pha có thính đến điện cảm tản máy biến áp 2.4 Chỉnh lưu tia m-pha 2.4.1 Chỉnh lưu tia 6-pha Sơ đồ chỉnh lưu tia 6-pha thể hình 2-13 Để có pha, ta nối điểm pha thành điểm chung Do đo số trường hợp thuật ngữ chỉnh lưu ba pha sóng ưa thích Diode pha dẫn điện áp pha cao pha lại Dạng sóng điện áp pha thể hình 2-13 Rõ ràng thấy, không giống trường hợp chỉnh lưu tia ba pha, góc dẫn diode π/3 thay 2π/3 Dòng điện qua van dẫn điện, dòng điện trung bình có gia trị thấp, có tỉ lệ cao biên độ so với giá trị trung bình hệ số sử dụng cuộn thứ cấp máy biến áp thấp Bên cạnh đó, dòng điện chiều dây quấn cuộn thứ cấp có đảo chiều nên không cần tính tới tượng bão hòa từ lõi thép tương tự với chỉnh lưu sóng Chỉnh lưu tia 6-pha hữu dụng với thiết bị cần có độ gợn sóng thấp có mạch anode cathode chung Hình 2-13: Chỉnh lưu tia 6-pha Với điện áp chỉnh lưu vRN khoảng từ π/3 đến 2π/3, điện áp trung bình chỉnh lưu tính: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Vdc  2 2 /  Vm sin  d (2-53)  /3 Hoặc: Vdc  Vm 61  0,955Vm 2 (2-54) Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu tính theo: VL  2 2 /  (Vm sin  ) d (2-55)  /3 Hoặc: VL  Vm  3     0,956Vm 2   (2-56) Bên cạnh đó, trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp tính: IS  I m  3     0,39I m 2   (2-57) Với Im = Vm / R Dựa quan hệ 2-55, 2-56 2-57, tất thông số thiết kế quan trọng chỉnh lưu tia 6-pha tính liệt kê bảng 2-4 2.4.2 Chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp Cách nối dây quấn thứ cấp Y Δ tạo góc lệch pha π/6 điện áp đầu máy biến áp Khi cụm dây quấn cuộn thứ cấp Y Δ kết nối với cầu mắc nối tiếp với nhau, kết hợp điện áp thứ cấp tăng tần số chỉnh lưu gấp đôi (12 lần tần số nguồn) Độ gợn sóng điện áp chỉnh lưu giảm theo từ 4,2% (đối với chỉnh lưu cầu) xuống 1% Sơ đồ phối hợp hai cầu gọi chỉnh lưu 6pha cầu nối tiếp Trong sơ đồ chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp, coi Vm* biên độ điện áp dây quấn thứ cấp nối Δ biên độ điện áp dây quấn thứ cấp nối Y Vm* Biên độ điện áp tải gọi Vm 2Vm* cos(π/12) 1,932Vm có lệch pha π/6 điện áp thứ cấp Tần số chỉnh lưu (gợn sóng) gấp 12 lần tần số nguồn xoay chiều Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu tính theo: Vdc  12 7 / 12  Vm sin  d 2 5 / 12 Hoặc: Vdc  Vm 12   0,989Vm  2 (2-58) (2-59) Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu tính theo: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 12 7 / 12 VL  (Vm sin  ) d  2 5 / 12 Hoặc: VL  Vm 12        0,956Vm 2  12  (2-60) (2-61) Bên cạnh đó, trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp tính: IS  I m   1     0,807I m   12  (2-62) Trị hiệu dụng dòng điện diode IS  I m   1     0,57I m   12  (2-63) Với Im = Vm / R Dựa coong thức 2-59, 2.61, 2.62 2.63, Tất thông số thiết kế quan trọng liệt kê bảng 2-4 2.4.3 Chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song Chỉnh lưu 6-pha mạch cầu nối tiếp, mô tả phần trên, hữu dụng ứng dụng có yêu cầu điện áp cao Tuy nhiên với yêu cầu dòng điện chỉnh lưu cao, chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song (với máy biến áp nối giữa) hình 2-14 sử dụng Chức biến áp nối giữa, tạo điện áp chỉnh lưu vL giá trị trung bình điện áp v1 v2 Giống chỉnh lưu mạch cầu nối tiếp, tần số chỉnh lưu mạch cầu song song 12 lần tần số nguồn xoay chiều Do đó, lọc điện áp chỉnh lưu không cần thiết Với cân dòng điện chỉnh lưu hai mạch cầu (dòng điện theo hai chiều ngược dây quấn biến áp nối giữa) không sinh từ trường dòng điện chiều Tất thông số thiết kế quan trọng chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song liệt kê bảng 2-4 Hình 2-14: Chỉnh lưu tia 6-pha GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Bảng 2-4: Thông số thiết kế chỉnh lưu 6-pha với tải điện trở Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr Tia 6-pha cầu nối tiếp Tia 6-pha cầu song song 0.524Vdc 0.37Vdc 1.05Vdc 0.715Vdc 6.28IF (AV) 0.409Idc 0.333Idc 3.033IF (AV) 0.576Idc 0.167Idc 3.14IF (AV) 0.409Idc 2,45 1,73 2,45 0,998 1,0009 0,042 1,28Pdc 1,81Pdc 6fi 1,00 1,0005 0,01 1,01Pdc 1,05Pdc 12fi 1,00 1,0005 0,01 1,01Pdc 1,05Pdc 12fi Tia 6-pha 2.09Vdc 0.74Vdc 0.167Idc 2.5 Hệ thống lọc mạch chỉnh lưu Hệ thống lọc thường áp dụng có yêu cầu chỉnh lưu điện áp phẳng tải Các lọc phân thành loại: lọc chiều điện cảm lọc chiều điện dung Lọc chiều điện cảm ưa thích với chỉnh lưu có điện áp cao với nguyên nhân làm tăng hiệu làm việc máy biến áp giảm hệ số hình dạng FF dòng chỉnh lưu Lọc chiều điện dung tăng hiệu hoạt động, chúng có yêu cầu dòng bật dòng đột biến lặp lại Như vậy, lọc chiều điện dung thích hợp với hệ thống có công suất nhỏ, có qui định chặt chẽ thường đạt kiểm soát dòng thác điện tử chỉnh lưu 2.5.1 Lọc chiều điện cảm Bộ lọc đơn điện cảm đơn giản trình bày hình 2-15a Dòng điện chỉnh lưu đạt giá trị ổn định giá trị điện cảm Lf đủ lớn (ωLf >> R) Hiệu lọc trường hợp tải nặng tốt so với tải nhẹ Nếu suy giảm gợn hiệu với giá trị điện cảm tương đối lớn, cấu trúc L lọc hình 2-15b sử dụng Trong thực tế, nhiều lọc cấu trúc L sử dụng đồng thời có yêu cầu độ gợn đầu chỉnh lưu nghiêm ngặt Với sơ đồ lọc điện cảm đơn giản hình 2-15a, độ gợn sóng giảm v0 R  vL R  2f r Lf  (2-64) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Trong đó: vL – điện áp gợn trước lọc, v0 – điện áp gợn sau lọc, fr – tần số chỉnh lưu Đối với lọc điện cảm hình 2-15b, độ giảm gợn sóng điện áp tính: v0  v L  2f r 2 Lf Cf Trong đó: fr – tần số chỉnh lưu, R >> 2πfrCf Hình 2-15: Lọc chiều điện cảm 2.5.1.1 Dạng sóng dòng áp với chỉnh lưu sóng lọc điện cảm Chỉnh lưu pha sóng với lọc điện cảm vẽ hình 2-16a Dạng sóng dòng áp vẽ hình 2-16b Hình 2-16: Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu pha sóng có lọc điện cảm Khi giá trị Lf vô lớn, dòng điện điện cảm điện áp chỉnh lưu không đổi Khi giá trị Lf hữu hạn, dòng điện qua điện cảm có thành phần gợn sóng đường chấm hình 2-16 Khi giá trị Lf nhỏ, dòng điện giảm xuống không (trở nên gián đoạn) khoảng thời gian đỉnh điện áp chỉnh lưu Giá trị nhỏ cảu điện cảm cần thiết để giữ cho dòng điện chỉnh lưu không gián đoạn gọi điện cảm tới hạn LC GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.5.1.2 Điện cảm tới hạn LC Trường hợp chỉnh lưu pha sóng, điện cảm tới hạn tính theo: LC  R 6 f i (2-66) Trong đó: fi – tần số nguồn xoay chiều Trường hợp chỉnh lưu m-pha, điện cảm tới hạn tính theo: LC  R 3 m(m  1)f i (2-67) Trong đó: m – tỉ số tần số gợn sóng thấp tần số nguồn xoay chiều, có nghĩa m = chỉnh lưu pha mạch cầu 2.5.1.3 Xác định giá trị điện cảm theo độ gợn sóng (RF) cho trước Trong thực tế, lựa chọ điện cảm lọc thường dự vào yêu cầu độ gợn sóng điện áp chỉnh lưu Độ gợn sóng điện áp chỉnh lưu tính theo phân tích Fourier Ví dụ, hệ số sóng hài bậc n điện áp vL tính theo: vL( n )   4Vm  (n  1) (2-68) Trong đó: n = 2, 4, 8… Thành phần chiều điện áp chỉnh lưu tính từ công thức 2-5 Vì vậy, công thức 2-27, độ gợn tính theo:   RF     n  , ,8  n   (2-69) Nếu xét sóng hài bậc thấp (n = 2), độ gợn sóng điện áp lọc điện cảm đơn giản (không có Cf) tính theo công thức: Đã lọc: RF  0,4714  (4 fi Lf / R ) (2-70) 2.5.1.4 Sóng hài dòng điện nguồn xoay chiều Độ méo dạng tổng (THD) dòng điện xoay chiều định nghĩa I  THD   s    Is1  Trong đó: Is – giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn xoay chiều, Is1 – giá trị hiệu dụng thành phần dòng điện nguồn Độ méo dạng tổng THD tính theo GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng I  THD    s ( n )  n  , 3,  Is1  (2-72) Trong đó: Isn – giá trị hiệu dụng thành phần sóng hài bậc n dòng điện nguồn xoay chiều Hệ số công suất nguồn tính theo công thức PF  Is1 cos Is (2-73) Trong đó: φ – góc lệch pha thành phần dòng điện điện áp nguồn Như giả thiết, điện cảm Lf mạch điện hình 2-16 có giá trị lớn Dòng điện nguồn xoay chiều có dạng sóng vuông Do có chứa sóng hài bậc cao không mong muốn làm giảm hệ số công suất nguồn hệ thống Dòng điện nguồn dễ dàng tính theo công thức is  4I m  sin 2 fi t  n 1,3,5 n (2-74) Giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn thành phần tương ứng Im 4I m /  Khi đó, độ méo dạng tổng THD dòng điện nguồn 0,484; góc lệch pha dòng áp φ = 0, hệ số công suất 4/(π√2) = 0,9 Hệ số công suất sơ đồ hình 2-16 nâng cao cách bổ xung thêm lọc xoay chiều điện cảm nguồn chỉnh lưu, hình 2-17a Chỉ xem xét thành phần sóng hài, mạch tương đương hình 2-17a thể hình 2-17b Giá trị hiệu dụng thành phần sóng hài dòng điện bậc n xuất nguồn tính theo qui tắc phân chia dòng điện Is ( n )  I r ( n )  2n fi  Li Ci (2-75) Trong đó: Ir(n) – thành phần hài bậc n dòng điện chỉnh lưu Áp dụng biểu thức 2-73 biết Ir(n) /Ir1 = 1/n từ biểu thức 2-74, độ méo tổng THD mạch chỉnh lưu có lọc nguồn hình 2-17 tính theo biểu thức: 1 THD   n  3, n  2n f i  Li Ci (2-76) Thông số thiết kế quan trọng chỉnh lưu pha ba pha với lọc chiều điện cảm bảng 2-5 Lưu ý, với chỉnh lưu pha, cần có diode phóng điện, nối hai đầu lọc chiều giúp trì dòng điện tải nửa chu kỳ âm điện áp nguồn GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng (b) (a) Hình 2-17: Mạch lọc xoay chiều điện cảm (a) mạch tương đương (b) 2.5.2 Lọc chiều điện dung Hình 2-18 sơ đồ mạch chỉnh lưu pha sóng lọc chiều điện dung, dạng sóng điện áp dòng điện chỉnh lưu hình 2-19 Khi giá trị điện áp tức thời dây quấn thứ cấp vs lớn giá trị điện áp tức thời tụ điện vL, hai diode D1 D2 dẫn tụ điện nạp từ máy biến áp Khi điện áp tức thời dây quấn thứ cấp giảm, vs nhỏ giá trị điện áp tức thời tụ vL, hai diode phân cực ngược tụ điện xả điện tích thông qua tải điện trở R Kết quả, điện áp tụ dao động khoảng giá trị lớn Vm giá trị nhỏ Vm – Vr(pp) hình 2-19 Vr(pp) – độ gợn sóng điện áp từ đỉnh tới đỉnh) Góc dẫn hai diode θc , hình 2-19, trở nên nhỏ độ gợn sòng điện áp chỉnh lưu giảm xuống Do đó, nguồn diode chịu tác động dòng điện giá trị cao đột biến lặp lại Cần bổ xung thêm lọc LC xoay chiều hình 2-17a, nhwafm nâng cao hệ số công suất nguồn chỉnh lưu Hình 2-18: Chỉnh lưu pha sóng lọc chiều điện dung Thực tế, độ gợn sóng điện áp từ đỉnh tới đỉnh tương đối nhỏ, xác định theo biểu thức Vr ( pp )  Vm f r RC Trong đó: fr – tần số chỉnh lưu Điện áp trung bình chỉnh lưu tính theo (2-77) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng    Vdc  Vm 1  f RC   r (2-78) Giá trị hiệu dụng điện áp gợn sóng chỉnh lưu Vdc  Vm 2.f r RC Độ méo dạng RF  2f r RC  1 Hình 2-19: Dạng sóng dòng áp chỉnh lưu pha sóng lọc chiều điện dung Điện trở R inrush hình 2-18 dùng để giới hạn dòng điện xâm nhập vào diode thời điểm chỉnh lưu kết nối với nguồn Dòng xâm nhập lớn tụ điện cso điện tích ban đầu Trường hợp xấu xảy chỉnh lưu kết nối nguồn vào thời điểm điện áp cực đại dòng điện xâm nhập tính theo biểu thức Iinrush  Vm R tc  R ESR (2-81) Trong đó: Rtc – điện trở tương đương từ phía thứ cấp máy biến áp, RESR – điện trở tương đương qui đổi tụ lọc Như vây diode đượ chọn phải có khả chịu dòng điện xâm nhập nửa chu kỳ điện áp nguồn Nói cách khác, dòng điện thuận cực đại (Maximum Allowable Surge Current - IFSM) diode phải lớn dòng điện xâm nhập Giá trị trở liên quan đến dây quấn biến áp tụ lọc thường tính đến giới hạn chấp nhận dòng điện xâm nhập Tuy nhiên, trường hợp bỏ qua Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển máy biến áp, chỉnh lưu làm việc với nguồn chế độ chuyển mạch nguồn xoay chiều, điện trở Rinrush cần bổ xung để kiểm soát dòng điện xâm nhập Xét ví dụ, ck cầu pha, điện áp nguồn 120V – 60Hz (không có biến áp) Giả thiết dòng IFSM diode 150A khoảng thời gian 8.3 ms Nếu điện trở RESR tụ lọc không, giá trị điện trở để giới hạn dòng điện xâm nhập khoảng 1,13 Ω (sử dụng biểu thức 2-81)  ... dụng có yêu cầu công suất cao khả tận dụng cao công suất máy biến áp Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha trình bày hình 2-11 Các diode đánh số cho chúng dẫn góc 2π/3 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2:... với lọc chiều điện cảm bảng 2-5 Lưu ý, với chỉnh lưu pha, cần có diode phóng điện, nối hai đầu lọc chiều giúp trì dòng điện tải nửa chu kỳ âm điện áp nguồn GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương... pha từ nguồn xoay chiều 60Hz với dòng điện tải trung bình 50A, suy giảm điện áp chiều đầu 2,7V điện cảm tảm cuộn thứ cấp 300μH GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều