GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chỉnh lưu một pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn giản nhất thể hiện trong hình 2-1, sử dụng duy nhất một diode, được cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp xoay chiều.. Chỉnh lư

CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Chỉnh lưu một pha

Bộ chỉnh lưu một pha được chia thành hai loại: chỉnh lưu một pha nửa sóng và chỉnh lưu một pha cả sóng Trong các phần dưới đây, sẽ trình bày nguyên lý của các loại chỉnh lưu cũng như phân tích và so sánh các thông số được tổng kết ở bảng tổng hợp Để đơn giản, ta coi các diode là lý tưởng, có nghĩa chúng có điện áp thuận bằng không thời gian phục hồi tính ngược cũng bằng không Giả thiết này thông thường phù hợp với các trường hợp chỉnh lưu diode cho các nguồn xoay chiều tần số thấp và điện

áp thuận rất nhỏ so với biên độ điện áp nguồn Hơn nữa, giả thiết này cũng có nghĩa tải mang tính chất thuần điện trở và dạng sóng dòng và áp trên tải là tương tự Phần 2.5 trình bày hệ thống lọc trong chỉnh lưu, và các ảnh hưởng của tải điện cảm cũng như điện dung được xem xét kỹ càng

2.1.1 Chỉnh lưu một pha nửa sóng

Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn giản nhất thể hiện trong hình 2-1, sử dụng duy nhất một diode, được cấp điện từ cuộn thứ cấp của 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 bằng không và do đó sóng nguồn xoay chiều có dạng sin, dạng sóng điện áp và dòng điện tải R, điện áp và dòng điện trên diode được thể hiện trên hình 2-5

Hình 2-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng Theo đồ thị dạng sóng điện áp, biên độ điện áp ngược (peak inverse voltage - PIV) trên diode là Vm trong nửa sóng âm Từ đó VRRM của diode phải được chọn lớn hơn Vm để tránh bị đánh thủng Trong nửa chu lỳ dẫn, dòng điện thuận IF của diode chính là dòng điện qua tải nên IFRM phải được chọn lớn hơn dòng điện lớn nhất của tải

Bên cạnh đó, dây quấn thứ cấp máy biến áp chịu dòng điện một chiều,có thể gây nên hiện tượng quá bão hòa trong lõi thép

2.2.2 Chỉnh lưu một pha cả sóng

Có hai loại chỉnh lưu một pha cả sóng: chỉnh lưu với cuộn thứ cấp máy biến áp

có điểm giữa và chỉnh lưu cầu Nguyên lý chỉnh lưu với điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp được thể hiện trên hình 2-6 Từ sơ đồ có thể thấy mỗi diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc như một mạch chỉnh lưu nửa sóng Đầu ra của hai mạch chỉnh lưu này kết hợp với nhau tạo thành mạch chỉnh lưu cả sóng cho tải Hơn nữa dòng điện một chiều trong hai nửa chu kỳ bằng nhau và ngược chiều trên cuộn thứ cấp không gây nên các vấn đề liên quan đến bão hòa từ trong lõi thép Dạng sóng của điện

áp và dòng điện chỉnh lưu cả sóng trong hình 2-6 Theo đồ thị điện áp trên các diode

vD1 và vD2, biên độ điện áp ngược trên mỗi diode là 2Vm Do đó điện áp ngược cực đại lặp lại của diode VRRM phải được chọn lớn hơn 2Vm để tránh bị đánh thủng Lưu ý, chỉnh lưu một pha cả sóng có điện áp một chiều gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa sóng Khi dẫn, mỗi diode chịu dòng điện thuận bằng dòng điện tải, do đó IFRM phải được chọn lớn hơn biên độ dòng điện tải, Vm / R

Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng, cuộn thứ cấp có điểm giữa Chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu sử dụng 4 diode và không có điểm giữa của cuộn thứ cấp máy biến áp như trên hình 2-7 Trong nửa chu kỳ dương của cuộn thứ cấp, dòng điện chạy qua các diode D1 và D2 Nửa chu kỳ âm, D3 và D4 được dẫn điện Dạng sóng dòng , áp của chỉnh lưu cầu được thể hiện trên hình 2-7 Giống như trường hợp chỉnh lưu cả sóng có điểm giữa máy biến áp, dòng điện thuận cực đại IFRM

mỗi diode cần phải chọn cao hơn biên độ dòng điện tải Vm / R Và biên độ điện áp ngược trên mỗi diode giảm từ 2Vm xuống còn Vm trong thời điểm không dẫn

Hình 2-7: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu

d v (t)dtT

1

Trường hợp nửa sóng, theo đồ thị dạng sóng, điện áp vL(t) = 0 trong nửa sóng

âm, chu kỳ tính theo góc ω = 2π = T, do đó điện áp trung bình trường hợp này:



 0 m

d V sin( t)dt2

d V sin( t)dt

m m

d 2 V 0 , 636 V

Trị hiệu dụng của điện áp trên tải VL



0

2 L

L v (t)dtT

L (V sin t) dt2

1

m m

d 0 , 5 V 2

V

Trường hợp chỉnh lưu cả sóng, vL( t )  Vm sin  t trong cả nửa dương và nửa

âm của chu kỳ:



 0

2 m

L 1 (V sin t) dt

m m

d 0,707V2

R

V 5 , 0

R

V 707 , 0

2.2.3.3 Tỷ số chỉnh lưu

Tỷ số chỉnh lưu được dùng để đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị chỉnh lưu được tính theo biểu thức:

L L

d d L

d

I V

I V P

) V 318 , 0 (

2 m

) V 318 , 0 (

2 m

V 5 , 0 FF

V 707 , 0 FF

1 FF 1

Cả sóng:

482 , 0 1 11 , 1 1 FF

2.2.3.6 Hệ số sử dụng biến áp (Transfomer Utilization Factor)

Hệ số sử dụng biến áp được xác định bằng tỷ số giữa công suất dòng điện chỉnh lưu với công suất toàn phần xoay chiều

s s

d d ac

d

I V

I V P

318 , 0 TUF

Trường hợp cả sóng cuộn thứ cấp có điểm giữa, mạch điện tương đương với hai mạch nửa sóng làm việc song song, do đó công suất cuộn thứ cấp VsIs tăng gấp 2 lần Tuy nhiên công suất chỉnh lưu ở đầu ra lại tăng gấp 4 lần do hệ số chỉnh lưu tăng như

ở các biểu thức 2-5 và 2-15 Hệ số TUF của chỉnh lưu cả sóng với biến áp có điểm giữa được xác định từ biểu thức 2-32:

572 , 0 5 , 0 707 , 0 2

318 , 0 4 TUF

81 , 0 707 , 0

636 , 0

2



Công suất cuộn sơ cấp trong trường hợp chỉnh lưu cả sóng bằng chỉnh lưu cầu

do dòng điện sơ cấp trong cả hai trường hợp đều là dòng điện sin liên tục

2.2.3.7 Sóng hài

Chỉnh lưu cả sóng với tải điện trở không gây ra sóng hài bâc cao ở dòng điện xoay chiều trong máy biến áp Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, sóng hài xuất hiện với biên độ xác định theo tỉ lệ với thành phần cơ bản được trình bày trong bảng 2-1 Những tổn hao liên quan đến sóng hài dòng điện trong chỉnh lưu với tải điện trở thường bị bỏ qua bở chúng không lớn hi so sánh với các tổn hao khác Tuy nhiên với các tải phi tuyến, sóng hài là nguyên nhân gây nên tổn hao đáng kể và các vấn đề như

hệ số công suất thấp

Bảng 2-1: Tỉ lệ sóng hài bậc cao trong chỉnh lưu nửa sóng tải thuần trở

Tỉ lệ % so với sóng cơ bản 21,2 0 4,2 0 1,8 0 1.01

2.2.4 Thông số thiết kế

Trong thiết kế, mục đích thường là thông số dòng điện chỉnh lưu đầu ra chủ yếu

là điện áp Vd, chính vì vậy để thuận lợi ta đưa các công thức về dạng tham số là Vd Đối với dòng điện xoay chiều thì giá trị hiệu dụng (Vs) được sử dụng phổ biến và thuận lợi hơn so với biên độ (Vm) Quan hệ giữa trị hiệu dụng và biên độ của đại lượng xoay chiều sin theo biểu thức Vm  2 Vs

V V

Trường hợp cả sóng dùng sơ đồ cuộn thứ cấp có điểm giữa:

d

d m

636 , 0

V 2 V

636 , 0

V V

- Dòng điện thuận cực đại lặp lại (IFRM)

Nửa sóng: FRM m d 3 , 14 Id

318 , 0

I R

V

Cả sóng: FRM m d 1 , 57 Id

636 , 0

I R

V

Thông số thiết kế chỉnh lưu một pha được tổng kết trong bảng 2-2

Bảng 2-2: Thông số thiết kế chỉnh lưu một pha

Cả sóng (cuộn thứ cấp

có điểm giữa)

Cả sóng (mạch cầu) Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM 3.14Vdc 3.14Vdc 1.57Vdc

Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs 2.22Vdc 1.11Vdc 1.11Vdc

Dòng điện trung bình Diode IF(AV) 1.00Idc 0.50Idc 0.50IdcDòng điện cực đại lặp lại IFRM 3.14IF(AV) 1.57IF(AV) 1.57IF(AV)Dòng hiệu dụng diode IF 1.57Idc 0.785Idc 0.785Idc

2.3 Chỉnh lưu ba pha

Các bộ chỉnh lưu một pha chỉ được áp dụng khi công suất nhỏ, đối với các tải công suất lớn hơn 15kW phải sử dụng các bộ chỉnh lưu ba pha hoặc nhiều pha Bộ chỉnh lưu ba pha có hai loại: chỉnh lưu tia và chỉnh lưu cầu

2.3.1 Chỉnh lưu tia ba pha

2.3.1.1 Chỉnh lưu tia ba pha cơ bản

Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản được vẽ trên hình 2-8, có thể thấy rằng sơ đồ này tương đương với 3 sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng làm việc cùng nhau Trong một số trường hợp còn được gọi là chỉnh lưu ba pha nửa sóng Diode trên mỗi pha dẫn khi điện áp trên pha có diode cao hơn hai pha còn lại Dạng sóng điện áp mỗi pha và trên tải được thể hiện trong hình 2-8

Không giống như trong chỉnh lưu một pha góc dẫn mỗi diode là π, ở đây góc dẫn chỉ là 2π/3

Xét pha u1, diode dẫn trong khoảng π/6 ÷ 5π/6, điện áp trung bình



 5 /6

6 / m

2

3 V

2

3 3

6 /

2 m

L V sin t dt 0,84V2

3 V

Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp:

m m

4

3 3 2

1 I

Bảng 2-3: Thông số chỉnh lưu ba pha

kép Cầu ba pha

Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM 2.092Vdc 1.06Vdc 1.05Vdc

Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs 0.855Vdc 0.855Vdc 0.428Vdc

Dòng điện trung bình Diode IF(AV) 0.333Idc 0.167Idc 0.333Idc

Dòng điện cực đại lặp lại IFRM 3.63IF (AV) 3.15IF (AV) 3.14IF (AV)

Dòng hiệu dụng diode IF 0.587Idc 0.293Idc 0.579Idc

Công suất cuộn sơ cấp VA 1.23Pdc 1.06Pdc 1.05Pdc

Công suất cuộn thứ cấp VA 1.51Pdc 1.49Pdc 1.05Pdc

2.3.1.2 Chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa

Hiện tượng quá bão hòa từ trong lõi thép máy biến áp đối với chỉnh lưu tia ba pha có thể được khắc phục bằng cách bố trí dây quấn đặc biệt của cuộn thứ cấp, được biết đến là cách nối dây zic-zắc Chỉnh lưu loại này được gọi là sơ đồ chỉnh lưu ba pha

có điểm giữa hoặc sơ đồ chỉnh lưu zíc-zắc, như trong hình dưới đây Mỗi dây quấn thứ cấp được chia làm 2 phần lệch nhau π / 3 nối tiếp, như vậy từ trường do dòng điện một chiều trên hai phần dây quấn thứ cấp trong mọi thời điểm bằng nhau và ngược chiều Với việc bố trí thêm trên cuộn thứ cấp (nâng hệ số yêu cầu công suất từ 1.51 lên 1.74 VA/W), sơ đồ này hạn chế ảnh hưởng hiện tượng bão hòa trong lõi thép và hạ hệ số yêu cầu công cuộn sơ cấp xuống mức thấp nhất 1.05 VA/W Ngoài thông số hệ số yêu cầu công suất, tất cả các thông số chỉnh lưu của sơ đồ này giống như đối với chỉnh lưu tia ba pha (do đó không được liệt kê trong bảng tổng hợp chỉnh lưu ba pha) Hơn nữa đối với cách nối dây sơ cấp hình sao không dùng trunh tính được cho phép do tổng dòng điện các pha mọi thời điểm luôn bằng không

Hình 2-9: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa

2.3.1.3 Chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối giữa các trung tính

Sơ đồ chỉnh lưu loại này chủ yếu kết cấu từ hai mạch chỉnh lưu tia ba pha, trong

đó các điểm trung tính, của hai cụm ba pha thứ cấp nối Y, được liên kết thông qua một máy biến áp hoặc cuộn điện kháng (hình 2-10) Cực tính của hai cụm dây quấn nối Y ngược nhau, do đó nếu điện áp chỉnh lưu của một cụm đạt cực tiểu thì điện áp chỉnh lưu của cụm kia đạt cực đại như trong hình 2-10 Với cấu trúc và hoạt động của chỉnh lưu loại này, điện áp chỉnh lưu vL là trung bình của hai bộ chỉnh lưu v1 và v2

Thêm đó, tần số gợn của sóng của điện áp đầu ra bằng 6 lần tần số nguồn xoay chiều và dung lượng bộ lọc (nếu cần) sẽ nhỏ hơn Trong sơ đồ, dòng điện trong hai cụm ba pha ngược chiều nhau, do đó các ảnh hưởng của từ trường dòng điện một chiều bị loại bỏ Sự đối xứng của dòng điện thứ cấp, dòng điện sơ cấp cũng có tổng các pha luôn bằng không, do đó dây quấn sơ cấp không cần nối trung tính

Hình 2-10: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối các điểm trung tính

2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha

Chỉnh lưu cầu ba pha thường được sử dụng khi có yêu cầu công suất cao do khả năng tận dụng cao nhất công suất máy biến áp Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được trình bày trong hình 2-11 Các diode được đánh số sao cho chúng tuần tự được dẫn trong mỗi góc 2π/3

Hình 2-11: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Trình tự dẫn của các diode: 12, 23, 34, 45, 56, 61…

Dạng sóng điện áp và dòng điện được trình bày trên hình 2-11, trong đó điện áp dây gấp 1,73 lần điện áp pha

Ở đây cho phép sử dụng bất cứ cách nối (Y/Δ) cho dây quấn sơ cấp và thứ cấp

do dòng điện trong cuộn thứ cấp đối xứng

Điện áp trung bình:



 2 /3

3 / m

2

6 V

2 m

L 9 V sin t dtV

4

3 9 2

3 V

Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp:

m m

4

3 6

2 I

Giá trị hiệu dụng dòng điện qua diode

m m

4

3 6

1 I

Như vậy, chỉnh lưu ba pha cầu có hiệu quả nhất và phổ biến khi có yêu cầu cao

về cả dòng điện và điện áp một chiều Trong nhiều thiết bị, chỉnh lưu cầu ba pha không cần có thêm mạch lọc do độ gợn sóng điện áp chỉ có 4,2%, nếu cần thiết phải dùng mạch lọc thì dung lượng lọc cũng nhỏ do tần số gợn sóng lớn gấp 6 lần tần số nguồn xoay chiều

2.3.3 Hoạt động của bộ chỉnh lưu với giá trị nhất định điện cảm nguồn

Như đã giả định ở phần trước, sự chuyển mạch của dòng điện từ diode này sang diode khác diễn ra ngay lập tức khi các van có điện áp phân cực thuận cần thiết Trong thực tế, điều này khó xảy ra do nguyên nhân có lượng điện cảm nhất định gắn với nguồn Với mục đích giải thích về tác động của điện cảm nguồn, sơ đồ chỉnh lưu tia

ba pha với điện cảm tản máy biến áp được vẽ trên hình 2-12, trong đó L1, L2, L3 được biểu diễn cho điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp Theo hình 2-12, khi điện áp vYN lớn hơn vRN và do điện cảm L1, dòng điện trên D1 không thể giảm xuống 0 ngay lập tức Tương tự như vậy đối với với điện cảm L2, dòng điện trên D2 cũng không thể tăng ngay lập tức đến giá trị ổn định Kết quả, cả hai diode cùng dẫn trong khoảng thời gian được gọi là góc đồng dẫn Góc đồng dẫn sẽ làm giảm điện áp chỉnh lưu vL như trong hình 2-12 Nếu các điện cảm tản bằng nhau: L1 = L2 = L3 = Lc, thì lượng điện áp suy giảm có thể tính gần đúng bằng m.fi.Lc.Idc, trong đó: m – tỉ số của 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 một chiều đầu ra

là 2,7V khi điện cảm tảm trên mỗi cuộn thứ cấp 300μH

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 được thể hiện trên hình 2-13 Để có 6 pha, ta nối điểm giữa các pha thành điểm chung Do đo một số trường hợp thuật ngữ chỉnh lưu ba pha

cả sóng được ưa thích hơn Diode trên mỗi pha sẽ dẫn khi điện áp trên pha đó cao hơn

các pha còn lại Dạng sóng điện áp của mỗi pha được thể hiện trên hình 2-13 Rõ ràng

có thể thấy, không giống như trường hợp chỉnh lưu tia ba pha, góc dẫn của mỗi diode

chỉ là π/3 thay vì 2π/3 Dòng điện chỉ đi qua một van dẫn điện, do đó dòng điện trung

bình có gia trị thấp, nhưng có tỉ lệ cao của biên độ so với giá trị trung bình và hệ số sử

dụng cuộn thứ cấp máy biến áp thấp Bên cạnh đó, dòng điện một chiều trong dây

quấn cuộn thứ cấp có sự đảo chiều nên không cần tính tới hiện tượng quá bão hòa từ

trong lõi thép tương tự như với chỉnh lưu cả sóng Chỉnh lưu tia 6-pha hữu dụng với

những thiết bị cần có độ gợn sóng thấp và có mạch anode hoặc cathode chung

Hình 2-13: Chỉnh lưu tia 6-pha Với điện áp chỉnh lưu do vRN trong khoảng từ π/3 đến 2π/3, điện áp trung bình chỉnh lưu được tính:

 2 /3

3 / m

2

6 V

2 m

2

6V

6 V

4

3 6 2

1 I

2.4.2 Chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp

Cách nối dây quấn thứ cấp Y và Δ tạo ra góc lệch pha π/6 giữa các điện áp đầu

ra của máy biến áp Khi các cụm dây quấn cuộn thứ cấp Y và Δ kết nối với cầu được mắc nối tiếp với nhau, kết hợp điện áp thứ cấp sẽ tăng tần số chỉnh lưu gấp đôi (12 lần của tần số nguồn) Độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu cũng giảm theo từ 4,2% (đối với chỉnh lưu một cầu) xuống còn 1% Sơ đồ phối hợp hai cầu còn được gọi chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp

Trong sơ đồ chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp, nếu coi Vm* là biên độ điện áp của dây quấn thứ cấp nối Δ và biên độ điện áp của dây quấn thứ cấp nối Y cũng là Vm* Biên độ điện áp trên tải gọi là Vm sẽ bằng 2 Vm* cos(π/12) hoặc 1,932Vm bởi vì có sự lệch pha π/6 giữa các 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 được tính theo:



 7 /12

12 / 5 m

2

12 V

1 3 12 V

Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu được tính theo: