Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ 4

Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ

Chơng 4 Nghiên cứu mô phỏng các bộ biến đổi trong

hệ điện cơ

4.1 Mô phỏng chỉnh lu nguồn áp xoay chiều hình sin

Chỉnh lu dòng điện xoay chiều đợc hiểu là sự biến đổi dòng điện xoay chiềuthành dòng điện một chiều Bản chất của sự chỉnh lu là giữ nguyên chiều củadòng điện qua tải không phụ thuộc vào chiều của điện áp đặt vào Thiết bị thựchiện sự biến đổi đó đợc gọi là chỉnh lu

Theo nguyên tắc chỉnh lu đợc tạo thành từ các phần tử chuyển mạch dẫnmột hớng (đối với mục đích này thì ngày nay ngời ta thờng dùng các đi ốt bándẫn), biến thế dùng để cách điện giữa mạch vào và mạch ra của chỉnh lu, và các

bộ lọc san phẳng Lọc ở đầu ra của chỉnh lu thờng đợc dùng các bộ lọc điệndung( kiểu C) và lọc dạng  và dạng LC

Dựa vào số pha của hệ thống điện đặt vào mà chia ra chỉnh lu một pha và bapha Chúng đợc đặc trng bởi các thong số sau:

- Giá trị điện áp vào, tần số dòng điện vào và độ lệch giữa chúng;

- Công suất toàn phần yêu cầu từ mạng vào;

- Giá trị điện áp ra;

- Hệ số đập mạch của điện áp ra;

- Giá trị dòng điện ra và độ lệch của nó so với giá trị định mức;

Từ số lợng lớn các sơ đồ giải thuật của chỉnh lu chúng ta chỉ xem xét các sơ

đồ đợc ứng dụng nhiều nhất trong các nguồn phát điện(hình 4.2)

Sơ đồ của chỉnh lu (hình 4.2,a) thờng đợc sử dụng khi công suất vào dới 10

W và trong các trờng hợp, khi mà hệ số đập mạch cho phép tơng đối cao Ưu

điểm của sơ đồ này là số lợng đi ốt ít, nhợc điểm là tần số xung thấp, bằng tần sốcủa dòng điện vào

Sơ đồ hai nửa chu kỳ với đầu ra là các điểm giữa (hình 4.2,b)thờng đợc sửdụng khi công suất đầu ra từ 500 W Ưu điểm của sơ đồ này là khả năng ứngdụng đi ốt với việc đấu chung cực âm ở dạng lắp ghép, thậm chí khả năng bố trícác đi ốt vào bộ tản nhiệt chung Nhợc điểm bao gồm sự phức tạp của cấu trúcbiến thế do đầu ra lây ở điểm giữa cuộn thứ cấp và điện áp ngợc chiều tăng đặtvào đi ốt

VD1 C1

C2 VD2

Tp1

~Uvao

VD1 C1

C2 VD2 Tp1

VD4 VD3 C3

VD6 Tp1

điện áp ngợc ở các đi ốt nhỏ, tấn số đập mạch của điện áp chỉnh lu cao Sơ đồ

đ-ợc ứng dụng trong dải công suất ra rộng Đấu nối cuộn thứ cấp của biến áp theodạng hình sao cho phép tránh đợc sự xuất hiện dòng điện cân bằng khi các điện

áp pha không đối xứng Sơ đồ có thể đợc ứng dụng không cần biến thế

Trong các thiết bị cao áp các sơ đồ chỉnh lu đợc ứng dụng theo hình 4.1,a

d, thậm chí cùng với các bộ nhân điện áp dạng đi ốt-tụ điện (hình 4.2) Biến thế ởtrong sơ đồ này đợc ứng dụng nh khâu trung gian và thực hiện chức năng tăng

điện áp ban đầu Các đặc trng khối lơng-kích thớc của chỉnh lu cao áp ảnh hởnglớn đến các đặc tính của nguồn phát điện cao áp, bởi vì ngoài việc biến đổi điện

áp chỉnh lu phải đảm bảo sự cách điện của mạch cao áp và hạ áp Phụ thuộc vàogiá trị điện áp ra và công suất ra, mô đun biến thế- nắn dòng sẽ chiếm từ 30-60%khối lợng và thể tích của nguồn phát cao áp

Sơ đồ 6 pha một chu kỳ (hình 4.3) đợc áp dụng để thu đợc điện áp thấp(thấp hơn 10 V) khi dòng điện tải đến hàng trăm Ampe Cuộn thứ cấp biến thếphải đấu tam giác để loại bỏ từ hóa cỡng bức của mạch từ Đập mạch của điện áp

ra ở sơ đồ này giống nh trong sơ đồ cầu 3 pha, nhng biến áp phải đợc dự tính vớicông suất lớn hơn Tính hợp lý của việc áp dụng sơ đối với điện áp thấp đợc giảithích do sụt áp trên đi ốt ở mỗi chu kỳ nhỏ hơn 2 lần so với sơ đồ cầu 3 pha

4.1.1.1 Khái quát chung, nguyên tắc làm việc cơ bản của bộ chỉnh lu, các bộ lọc san phẳng

Chỉnh lu đơn giản nhất đợc làm bằng đi ốt bán dẫn nối trực tiếp với tải vàomạch điện xoay chiều (hình 4.1,a) Trong trờng hợp này tính phi tuyến của đặctính vôn-ampe của đi ốt định nghĩa bởi sự chảy qua của dòng điện qua mạch tảichỉ theo một hớng

Dới tác dụng của điện áp cực dơng(“+” đặt vào anốt của đi ốt, nh hình 4.1,a)

đi ốt mở, sụt áp trên đi ốt nhỏ so với điện áp vào, còn dòng điện qua tải đợc xác

định bởi điện áp vào và điện trở của tải Dới tác dụng của điện áp ngợc đi ốt đóng

và dòng điện không qua tải

Tóm lại, điện áp đầu ra của chỉnh lu đang xét có dạng đập mạch một nửachu kỳ, dạng của chúng thực tế lặp lại dạng dơng của điện áp vào của dòng điệnxoay chiều

Các chỉnh lu đang xét có tên gọi là chỉnh lu nửa chu kỳ ứng dụng củachúng bị giới hạn và sử dụng cho các nguồn một chiều công suất nhỏ, bởi vìchúng đợc đặc trng bởi sự ứng dụng kém của biến thế lực và lọc san bằng

Trên sơ đồ 4.1,b là chỉnh lu hai nửa bán kỳ, khi đó trong mạch tải diễn ra ởcả hai mức chu kỳ điện áp xoay chiều Các bộ chỉnh này gọi là chỉnh lu với các

đầu ra là các điểm giữa (điểm không) của các cuộn dây thứ cấp của biến áp

Sơ đồ ở hình 4.1,c có tên gọi là sơ đồ chỉnh lu cầu So với các chỉnh lu có sơ

đồ theo hình 4.1,b) thì chỉnh lu theo sơ đồ cầu chứa số lợng đi ốt gấp 2 lần và đợc

đặc trng bởi hao tổn công suất lớn, tuy nhiên cho phép sử dụng đi ốt với 2 lầngiảm điện thế ngợc cho phép Ngoài ra, sơ đồ chỉnh lu cầu đợc đặc trng bởi sựứng dụng tốt của biến thế, do đó dòng điện đi qua cuộn thứ cấp trong cả hai chu

kỳ Trong các chỉnh lu có sơ đồ cầu với đầu ra là điểm không trên cuộn thứ cấpcủa biến thế, dòng điện tải đi qua lần lợt 2 nửa cuộn dây giống nhau.Chỉnh lu đợc

làm theo sơ đồ cầu về nguyên tắc có thể nối với mạng dòng điện xoay chiều vàkhông cần biến thế Kết nối này đợc ứng dụng trong các trờng hợp khi mà không

đòi hỏi sự cách điện mạch tải của chỉnh lu với mạng cung cấp, còn điện áp ra củachỉnh lu chỉ đợc xác định bởi điện áp nguồn

Sơ đồ với sự nhân hiệu điện áp đợc gọi là các mạch chỉnh lu mà điện áp ragấp 2-4 lần hoặc lơn hơn nữa giá trị của điện áp cuộn thứ cấp của biến thế cao áp.Trong vai trò của nguồn phát bổ sung để tăng điện áp ra ngời ta sử dụng các tụ

điện, các tụ điện tích phóng theo chu kỳ với sự hỗ trợ của đi ốt bán dẫn

Trên hình 4.2,a đa ra sơ đồ chỉnh lu một pha với sự tăng gấp đôi điện áp đợctạo từ 2 sơ đồ chỉnh lu một pha với đi ôt VD1 và VD2 va tụ điện C1 và C2 Cả haichỉnh lu này nối với nhau, điện áp tổng đợc đặt vào tải điện áp ở mỗi tụ điện C1

và C2 gần bằng điện áp ở cuộn ra của biến thế Tp1, còn điện áp ở tải tăng 2 lần

điện áp sau cùng do sự cộng dồn các hiệu điện trên các tụ điện

Sự làm việc của chỉnh lu ở mức độ cơ bản đợc xác định bởi đặc tính tải của

nó Khi đó chỉnh lu có các dạng của dòng điện khác nhau phụ thuộc vào đặc tínhcủa tải Tải tích cực của nguồn điện rất ít gặp và thờng đợc thực hiện khi không

có lọc

Thờng tải là tích cực -điện dung hoặc là tích cực – cảm ứng Tải tích

cực-điện dung có thể là ống tia âm cực, các thiết bị cực-điện tử chân không, thiết bị tínhtoán… Tải tích cực – cảm ứng đợc tạo bởi bộ lọc đợc bắt đầu bởi cuộn cảm, cònkhi không có lọc thì tải là thiết bị công nghệ điện tử, cơ cấu điện từ, động cơ

i22

Ura L

UCL

t i21

t i22

t i2

t i1

t tong

U

t i21

t i22

t i2

Hình 4-4 Sơ đồ với đầu ra điểm giữa biến áp (a) và giản đồ làm việc của nó trên

tải tích cực- điện dung

Dòng điện tổng của hai nửa cuộn thứ cấp i2tong = i21 - i22 không có thànhphần một chiều, vì vậy dòng i1 của cuộn thứ cấp trùng với dạng của dòng i2tong,còn sự tăng biên độ dòng điện của cuộn sơ cấp lớn hơn biên độ của dòng điện

tổng đợc xác định bởi hệ số biến đổi n của biến áp.

Dòng i21 và i22 không vợt mức theo thời gian vì vậy giá trị hiệu dụng I1 củacuộn sơ cấp

1 2 diot

I n I (4.1)Công suất biên PTP của biến thế đối với sơ đồ đang xét là:

P TP 0,5 n 2.I diot.U2 2I diot.U2 1,7.I diot.U2 2.P dau ra_

Với tải tích cực-cảm ứng trong sơ đồ vơi đầu ra điểm giữa (hình 4.4,b) điện

áp ra Ura có dạng hình bao của các giá trị dơng của điện áp trên nửa cuộn thứ cấp

Các dòng điện của nửa cuộn thứ cấp i21 và i22 có dạng gần giống hình chữ nhật,còn dòng điện tổng i2tổng có dạng khúc khửu Theo hình dạng, dòng điên i1 trùngvới dòng điện i2tong, còn theo giá trị thì khác nhau n lần Giá trị hiệu dụng của

dòng điện cuộn sơ cấp:

1 2 diot ra

I n I n I (4.3)

ở đây Ira – dòng điện ra (dòng điện trên tải) của chỉnh lu

Công suất biên của biến thế:

Nhợc điểm của sơ đồ ở hình 4.4 là yêu cầu các cuộn dây thứ cấp của biếnthế phải đối xứng Khi không có sự đối xứng thì trong điện áp chỉnh lu sẽ xuấthiện thành phần xung nhiễu có tần số của mạng chỉnh lu

Trong các chỉnh lu mạnh công suất thì sơ đồ ba pha đợc ứng dụng nhiều.Phơng án cầu của các sơ đồ này đợc gọi là sơ đồ Larionov và đợc đặc trng bởi đậpmạch của điện áp ra nhỏ, thậm chí không cần sử dụng lọc san bằng

Các bộ lọc san bằng đợc áp dụng để làm giảm thành phần xoay chiều của

điện áp chỉnh lu Các lọc đợc đấu vào giữa chỉnh lu và tải

Các bộ lọc đợc sử dụng nhiều nhất là các lọc RC và LC với hai thành phần

đấu theo kiểu Г (hình 4.5,a,b) Thành phần nối tiếp (L hoặc R) có sự phản khángmạnh với dòng điện xoay chiều, còn thành phần song song (C )- ít phản khángcác thành phần xoay chiều Nhợc điểm của điện trở trong các sơ đồ lọc san bằng

là có hao tổn công suất lớn ở dòng một chiều

a) b)

Hình 4-5 Lọc chủ động điện dung(a) và lọc cảm ứng - điện dung(b)

Một trong những chỉ số của lọc là hệ số san bằng đập mạch Hệ số đợc tínhbằng tỉ số của hệ số đập mach kđmv ở đầu vào của bộ lọc chia cho hệ số đập mạch

kđmr ở đầu ra của lọc:

dmv dmr

k q k

ở đây k =U /U , k =U /U ;

1

p

LC

và phải nhỏ hơn rất nhiều so với tần số dao động đầu tiên (hài bậc 1) của hài

đập mạch Từ đây suy ra rằng tần số của các thành phần xoay chiều của điện ápvào lọc phải lớn hơn rất nhiều tần số cộng hởng của nó

Đối với tần số lọc-LC các thông số đợc chọn nh sau

n- tần số cơ bản của hài đập mạch( tần số của hài đầu tiên của xung);

Rtải-trở kháng của tải chỉnh lu;

Tính tự cảm của cuộn dây của lọc L đợc chọn từ hệ số san bằng đập mạchyêu cầu ở hài đã cho qk

2 2

1

k

n

q L

q C

k R

Thờng lọc-RC đợc áp dụng trong sơ đồ có điện trở lớn Rtải Lọc-LC đợc ápdụng khi dòng điện tải lớn và khi đó điện trở Rtải nhỏ

4.1.1.2 Mô phỏng chỉnh lu 3 pha không điều khiển

Chúng ta xem xét ở vai trò của mô hình chỉnh lu 3 pha không điều khiểntheo sơ đồ Lrionop (sơ đồ 3 pha cầu) Giả sử chỉnh lu đợc trang bị lọc-LC để sanbằng sự đập mạch của điện áp chỉnh lu Sơ đồ nguyên lý điện của chỉnh lu đợc đa

và phõn tớch phổ

VD5 VD4

A1 B1 C1

Hình 4-6 Chỉnh lu 3 pha cầu không điều khiển

Trong sơ đồ bao gồm: biến thế 3 pha Tp1 với 6 cuộn dây đấu theo sơ đồ

”sao-sao” (*-*) và điện áp dây ra 380V, tần số 50Hz; cầu điốt VD1-VD6; cuộn

dây lọc Lf; tụ điện lọc Cf và tải gồm 2 điện trở Rvar va Ro Điện trở đầu tiên là

điện trở biến đổi, nó dùng để biến đổi dòng điện tải Điện trở thứ hai giới hạndòng điện lớn nhất của tải để ngăn ngừa làm hỏng điốt chỉnh lu

Chúng ta tạo mô hình của thiết bị đã cho, mô hình cho phép chúng ta:

-Xây dựng đặc tính ra của chỉnh lu, quan hệ Ud=f(Id);

-Đo đại lợng các hài bậc cao của điện áp ra để xác định đại lợng xung ( cócũng nh không có lọc) khi một giá trị tron số các giá trị của dòng điện ra;

-Xây dựng biểu đồ dao động của điện áp trên tải ( có lọc cũng nh khi không

có lọc);

-Xây dựng biểu đồ dao động của điện áp và dòng điện của một trong các

điôt của cầu

Sơ đồ mô hình đợc đa ra ở hình 4.7

Mô hình tạo ra từ nguồn điện áp 3 pha Three-Phase Source, ngồm đấu vào

đầu vào của biến thế với 6 cuộn dây Các cuộn dây của biến thế đợc đấu theo sơ

đồ “ sao-sao” Các điểm trung tính của nguồn và biến thế đấu chung vào nhau.

Các cửa sổ thông số của nguồn và biến thế đợc chỉ ra ở hình 4.8 Lọc đợc

tạo ra từ các phần tử Series RLC Branch Trên sơ đồ chúng đợc ký hiệu bởi Lf

và Cf Các cửa sổ thông số của chúng đa ra ở hình 4.9

Hình 4-7 Mô hình chỉnh lu 3 pha không điều khiển

không có sẵn khối điều chỉnh điện trở biến đổi từ các tín hiệu bên ngoài Nhng nó

có thể đợc tạo ra trên cơ sở của khối Controlled Voltage Source (khối nguồn

điện áp điều khiển) Chắc chắn rằng sự có mặt của điện trở trong mạch sẽ dẫn đến

sự xuất hiện sự sụt áp trên nó là U, nó giảm dòng điện qua I Vì vậy để tạo ra môhình biến trở cần phải đấu vào mạch nguồn điện áp điều chỉnh mà đầu vào của nó

sẽ là thông tin tỉ lệ với dòng điện trong mạch nh ở hình 4.10

a) b)

Hình 4-8 Các cửa sổ thông số: nguồn điện áp (a), biến thế (b)

a) b)

Hình 4-9 Cửa sổ thông số: cuộn dây của lọc Lf (a), tụ điện của lọc Cf(b)

Trong sơ đồ trên U=V.I, theo định luật Om U=R.I, ta có

V=R,

ở đây V-tín hiệu điều khiển đợc đa vào đầu vào V

Tóm lại cho giá trị thông số V, có thể thay đổi điện trở của biến trở đã choRvar

Để ngăn ngữa phép toán chia cho 0 trong thời điểm đóng mạch mô hình cần đa

vào sơ đồ một điện trở phụ ( khối Series RLC Branch).Giá trị của nó có thể nhỏ

tùy ý, ví dụ, trong sơ đồ R0=0,001 Om

Hình 4-10 Cấu tạo của khối Rvar

Khi tính đến sự có mặt của điện trở đã cho mà giá trị điện trở có thể coi nhgiá trị nhỏ nhất của biến trở, giá trị cuối cùng là

cấp bởi bộ điều chỉnh khếch đại con chạy Giá trị đơn vị đa vào đầu vào khối

Slider Gain (Rn(Om)) đợc khếch đại trong giới hạn thông số đã cho ở cửa sổ

thiết lập của khối Ưu điểm của khối đã cho là khả năng biến đổi động học trựctiếp hệ số khếch đại của nó trong quá trình mô phỏng không cần dừng sự tínhtoán Tính đặc biệt này cho phép thực hiện tạo mô hình tơng tác cho phép thay

đổi giá trị điện trở của tải, bởi vì điều này diễn ra trong điều kiện thực trên các giáthí nghiệm

Chúng ta sẽ dùng chính khối Slider Gain này vào các mô hình khác Nhng

đáng tiếc trong chơng trình MATLAB 4.11 thiếu khả năng khác thiết lập biến đổithông số của hệ bằng tay trong quá trình mô phỏng Khả năng này đã có ởMATLAB 6.5 và có thể hy vọng rằng trong các phiên bản sau khả năng đó sẽquay lại

Cửa sổ của khối Slider Gain đợc chỉ ra dới đây ở hình 71.

Hình 4-11 Cửa sổ thông số của khối Slider Gain

là khối Multimeter Một phần cửa sổ thông số của nó đợc dẫn ra ở hình 4.12.

Hình 4-12 Một phần cửa sổ thông số Multimeter

Ta thấy rằng ở đầu ra của khối véc tơ đợc tạo thành từ 2 đại lợng: dòng điệnqua điện trở R0 của khối Rvar ( dòng điện tải) va điện áp trên tụ điện Cf (điện áptrên tải)

Véc tơ này chia ra thành các thành phần riêng biệt bởi khối Demux Tínhiệu mang thông tin về dòng điện tải đi qua khối RMS1 vào đồng hồ số

Ampermeter Khối RMS1 (giống nh khối RMS) thực hiện phép toán chia giá trị

hiệu dụng của đại lợng Bởi vì dòng điện tải mang một vài thành phần xoay chiều.Các phép toán này cần thiết

điện áp tải từ khối Multimeter: đợc chuyển qua khối RMS vào đồng hồ số Voltmeter; đợc ghi vào không gian làm việc (To Workspase) của chơng trình MATLAB bởi khối Simout; đợc đa vào máy hiện sóng Scope Un.

Sự ghi vào không gian làm việc của chơng trình cần thiết đối với sự phântích tần số tiếp sau đó bởi bộ phân tích phổ

Những điều chỉnh tính toán của mô hình, khoảng thời gian mô phỏng va cácthông số khác của mô hình cần thiết đợc thiết lập sao cho sự tính toán đợc tối utrong sự tơng ứng với những đề ra thỏa mãn trong công việc của chúng ta [12].Làm việc của mô hình bắt đầu từ việc nhấn nút trong thanh công cụcủa chơng trình

Khi thay đổi vị trí con chạy của khối Slider Gain là chúng ta đặt giá trị điện

trở tải Điện trở đợc đọc từ giao diện của khối hoặc trực tiếp từ của sổ thông số.Khi đó kim của Ampe kế và vôn kế di chuyển biểu thị giá trị của dòng điện và

điện áp của tải

Khi thay đổi giá trị của điện trở từ 5 đến 100Om thì chúng ta đọc chỉ thị từcác thiết bị đo Mối quan hệ thu đợc giữa điện áp trên tải của chỉnh lu và dòng

điện tải đợc gọi là đặc tính ra của chỉnh lu, đợc chỉ ra ở hình 4.13

U, V

0 50 100 150 200 250

Hình 4-15 Biểu đồ dao động điện áp ra của chỉnh lu không lọc

Rõ ràng, mặc dù là sơ đồ 6 đập mạch bộ chỉnh lu nhng các đập mạch của

điện áp ra vẫn có giá trị lớn

Để đo đạc nghiêm ngặt đại lợng đập mạch cần đa ra phân tích phổ hiệu

điện áp ra Để làm điều đó chúng ta sử dụng khả năng tích hợp vào chơng trình và

khởi động khối Powergui Một phần cửa sổ của nó thể hiện nh ở hình 4.16.

Trong cửa sổ này có nút bấm FFT Analize (phân tích Furie).

Khi nhấn vào cửa sổ Powegui: FFT Tools (công cụ phân tích Furie tần số).

Trong cửa sổ chỉ ra tên gọi của biến của không gian làm việc Biến này lu

véc tơ điện áp ra Trong trờng hợp của chúng ta-Simout ở đây trong cửa sổ Fundemental frequency (tần số của hài cơ bản) nhập giá trị 300 Bởi vì khi

chỉnhlu 2 nửa chu kỳ của hệ điện áp 3 pha tần số của hài cơ bản sẽ bằng 300Hz

Trong cửa sổ MAX frenquency (tấn số lớn nhất) thiết lập giá trị lớn hơn

vài lần sao cho đủ để bao hết vài hài bậc cao của điện áp ra Trong trờng nàychúng ta đa vào đây giá trị 2000

Trong cửa sổ Frequency axis (Trục tần số biểu thị đơn vị Hz).

Hình 4-16 Cửa sổ Powergui

Kết quả phân tích tần có thể đa ra ở dạng biểu đồ cột hoặc ở rạng giá trị số

Phơng án cuối cùng thuận tiện hơn, bởi vì trong cửa sổ Display style (cách

đa ra chỉ thị) chúng ta chỉ rõ List (relative to Found, or DC) đợc chuyển qua

giống một danh sách các giá trị tơng đối với tần số cơ bản hoặc thành phần mộtchiều Nhấn vào nút Display dới cửa sổ ta thu đợc kết quả đợc chỉ ra nh ở hình

4.17 ( để tiết kiệm vị trí, hình chỉ đợc thể hiện một phần)

Chúng ta thấy rằng hài thứ hai xung điện áp ra không có lọc chiếm khoảng23,12% thành phần hài thứ nhất của điện áp ra, hài thứ 3 chiếm 9,08%, hài thứ 4chiếm 4,35%, hài thứ 5 chiếm 2,3% và hài thứ 6 chiếm 1,29%

Để thu đợc kết quả này cần phải chỉ ra trong trờng Number of cycles (số

chu kỳ)-1 Trong trờng hợp này sẽ phân tích đầ đủ một chu kỳ điện áp ra và kếtquả tối thiểu là chỉ ra ảnh hởng của các chế độ quá độ, nhiễu ngẫu nhiên đối với

điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu

Ta thực hiện phân tích các hài của chỉnh lu không có lọc đối với mô hình ởhình 4.17 Biểu đồ dao động điện áp đầu ra đối với chỉnh lu có lọc nh hình nh

Hình 4-17 Một phần cửa sổ với kết quả phân tích tứng phân điện áp ra của

Hình 4-18 Biểu đồ dao động điện áp ra của chỉnh lu

Dòng điện và điện áp ở một trong các điốt chỉnh lu có dạng nh trong cửa sổ

của máy hiện sóng Scope Ud+Id Véc tơ trạng thái đợc đa vào đầu vào của máy

hiện sóng Véc tơ trạng thái gồm 2 đại lợng: điện áp ở điốt và dòng điện qua nó

Để thu nhận đợc tín hiệu trên trong cửa sổ thông số của một trong các điốt (VD1)

thì đánh dấu vào trờng Show meansurement port [Thể hiện cổng đo] Nh đã chỉ

ra ở trên bây giờ ở cổng đo của khối đợc ký hiệu là m, véc tơ tín hiệu-Simulink

đợc định dạng từ 2 phần tử Phần tử đầu là dòng điện dơng của điốt, phần tử thứ 2

là điện áp anốt-katốt của điốt

Hình 4-19 Một phần cửa sổ với kết quả phân tích tứng phần điện áp ra của

chỉnh lu có lọc

Biểu đồ dao động của tín hiệu thu đợc ở hình 4.20 ở đây đờng đậm là dòng

điện qua điốt, đờng mảnh là điện áp trên điốt

Hình 4-20 Biểu đồ dao động của dòng điện và điện áp trên điốt VD1

họa cho các qua trình điện từ trong các sơ đồ chỉnh lu điều chỉnh đơn giản nhất(hình 4.21,a,c) Giả sử chọn bất kỳ thời điểm ban đầu ở đầu cuộn sơ cấp của biếnthế Tp, ký hiệu một cách ớc lệ bằng một điểm trên hình 4.21,a, đợc đặt điện thếdơng, còn ở đầu cuối của nó là điện thế âm ( chiều của điện áp trong cuộn dây Tp

đối với thời điểm đầu đợc chỉ ra trên hình 4.21,a) Mặc dù có mặt điện thế dơngtrên anốt của thyristor VT1 nhng nó không cho dòng điện đi qua Bởi vì tín hiệu

đặt vào cực điều khiển của nó chậm sau một khoảng thời gian t1 CL/ kể từkhi cực tính điện áp nguồn nuôi đợc thay đổi

~Un

Tp1

L

Ura C

U CL

L

VD4

VD2 VT3

U CL

điện áp cung cấp () thyristor VT1 đóng Trong khoảng thời gian tiếp theo tải bịngắt khỏi mạng, nhng dòng điện của cuộn dây lọc vẫn đi qua điốt phụ trợ VD Tại thời điểm tín hiệu mở đợc đặt vào cực điều khiển của thyristor VT2 và

nó bắt đầu dẫn dòng điện tải Khi đó điốt VD đợc đóng bởi điện áp trên cuộn thứcấp của biến thế Tp Thyristor VT2 dẫn dòng theo sự thay đổi tuần tự cực tính của

điện áp nuôi Sau đó các quá trình trong sơ đồ của chỉnh lu điều chỉnh (hình4.21,a) đợc lặp lại

Dễ thấy rằng theo thời gian khi thay đổi thời điểm mở thyristor VT1 và VT2tơng đối so với thời điểm chuyển qua giá trị 0 của điện áp cung cấp, có thể thựchiện việc điều chỉnh giá trị trung bình (giá trị hiệu dụng) của điện áp trên tải theoquy luật đã cho Sự ổn định của điện áp ra với độ chính xác nhất định đợc giữkhông thay đổi trong mọi trờng hợp và chế độ của chỉnh lu là một trờng hợp riêngcủa sự điều chỉnh này.

Các quá trình điện từ có vị trí trên hình 4.21,c, hoàn toàn đợc đồng nhất nh

đã xem ở trên, ngoại trừ một điều khi mở thyristor VT1 thì điốt VD4 đợc mở cònkhi đang mở VT2 thì điốt VD3 đợc mở

Chỉnh lu có điều khiển đợc làm theo sơ đồ hình 4.21,b trong sự khác biệt vớicác sơ đồ đã xét ở trên không chứa điốt phụ trợ VD Vai trò của nó đ ợc các điốtVD2 và VD4 đảm nhiệm Thông qua các điốt này năng lợng tích trong cuộn dâycủa lọc L đi đến tải khi các thyristor VT1 và VT3 đóng Các biểu đồ thời gianminh họa các quá trình điện từ trong chỉnh lu này đợc chỉ ra ở hình 4.23

Hoàn toàn rõ ràng rằng đặc trng của các quá trình trong chỉnh lu điều chỉnh

là không thay đổi, nếu nh cực tính điện áp để mở tất cá các thyristors, các điốt vàcác tụ lọc thay đổi ngợc nhau so với điện áp cuộn thứ cấp của biến áp

Đối với tất cả các chỉnh lu một pha (xem hình 4.21) đặc tính điều chỉnh(một cách khác là đặc tính “vào-ra”) thể hiện mối quan hệ của giá trị trung bình

điện áp chỉnh lu theo góc mở của thyristor khi có dạng:

ở đây - giá trị trung bình của điện áp ở đầu ra của lọc;

U2-giá trị hiệu dụng của điện áp ở đầu ra của chỉnh lu;

-góc mở của các thyristor

~Un

ωt U

ωt

i VT1 CL

Hình 4-22 Biểu đồ thời gian của

dòng điện và điện áp trong sơ đồ đơn

giản nhất của chỉnh lu điều chỉnh

một pha (xem hình 4.21,a,c)

Hình 4-23 Biểu đồ thời gian của dòng

điện đối với chỉnh lu hình 4.21,b

Hình 4-24 Sơ đồ chỉnh lu điều chỉnh 3 pha hiệu quả

Sơ đồ cầu ở hình 4.24,a chứa 3 thyristor đấu chung katốt và 3 điốt đấuchung anốt Chỉnh lu cầu 3 pha ở hình 4.24,b hoàn toàn đợc thực hiện trênthyristor

Trong sơ đồ của chỉnh lu 3 pha điốt VD giống nh trong trờng hợp chỉnh lumột pha dùng để đảm bảo mạch điện sao cho năng lợng tích trong cuộn dây củalọc đi đến tải khi các thyristor của chỉnh lu ngắt

Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp trong mạch chỉnh l u điều chỉnh

3 pha (hình 4.24,a) đợc đa ra ở hình 4.25 Những biểu đồ này hợp lý đối với cácgóc mở nhỏ của thyristor một cách tơng đối (đến )

Dạng điện áp chỉnh lu của loại chỉnh lu này khi giá trị góc mở của thyristor() có dạng nh ở hình 4.26

Đặc tính điều chỉnh của loại chỉnh lu này đợc xác định theo biểu thức

1 cos2

ở đây U 2d-điện áp dây ở đầu vào của chỉnh lu (giá trị hiệu dụng)

Đối với sơ đồ hình 4.24,b dạng điện áp ra ở đầu vào của lọc đợc chỉ ra trênhình 4.27

Hình 4-25 Biều đồ thời gian của dòng điện và điện áp trong sơ đồ chỉnh lu điều

chỉnh 3 pha (xem hình 4.24,a) khi góc mở dới

U CB U AB U AC U BC U BA U CA

α 0

Hình 4-26 Dạng đờng điện áp chỉnh lu của chỉnh lu (xem hình 4.24,a) khi góc

b)

Hình 4-27 Dạng điện áp đầu vào của lọc (xem hình 4.24,b) đối với góc mở các

thyristor: a-dới ,b- khi

Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lu này đợc mô tả bởi biểu thức sau:

Kđmr

00,3

1,82,1

1,51,2

18090

α

CL

3

21

Hình 4-28 Hệ số đập mạch của chỉnh lu 3 pha

4.1.2.2 Mô phỏng chỉnh lu 1 pha có điều khiển

Chúng ta xem ví dụ mô hình chỉnh lu điều chỉnh một pha bằng thyristor đợctổng hợp theo sơ đồ chỉnh lu hai nửa chu kỳ nh ở hình 4.29

A

V

Khối điều khiển

Mỏy hiện súng và phõn tớch phổ

100 Rtai VT1

Hình 4-29 Sơ đồ chỉnh lu điều khiển hai nửa chu kỳ một pha

Trong sơ đồ gồm: 2 nguồn điện áp hình sin 220V, 50Hz (V,V1); thyristorVT1 và VT2; biến trở tải Rtải (thay đổi giá trị điện trở từ 0 đến 95 Om); Điện trở

giới hạn dòng điện tải R0=5Om; khối điều khiển thyristor và các thiết bị đo

Ta xem mô hình của thiết bị đã cho, mô hình cho phép:

-Khảo sát quá trình làm việc của chỉnh lu và lập biểu đồ dao động điện áp

ra với các góc điều khiển khác nhau;

-Lập đặc tính điều chỉnh của chỉnh lu;

-Phân tích các thành phần hài của điện áp ra khi các góc điều khiển khácnhau

Sơ đồ mô hình đợc đa ra hình 4.30

Hình 4-30 Mô hình chỉnh lu điều khiển một pha

Mô hình gồm 2 nguồn AC Voltage Source (V,V1) đấu vào 2 khối Thyristor (VT1, VT2) Sơ đồ biến trở tải là một hệ con mà thành phần của nó từ

một vài phần tử Khối này đợc làm theo sơ đồ đã nói ở trên (xem hình 4.30) Nó

đợc điều khiển bởi tín hiệu từ khối Slider Gian (Rn(Om)), cửa sổ thông số của

khối nh hình sau (hình 4.31)

Hình 4-31 Cửa sổ thông số Rn(Om)

Khối điều khiển các thyristor Blok ypravlehiy đợc làm ở dạng hệ con Nó

Hình 4-32 Sơ đồ hệ con Blok ypravleniy

Trong hệ con 2 kênh đồng nhất mà sơ đồ khối của một trong số đợc chỉ ra ởhình 4.33

Hình 4-33 Khối - sơ đồ của một trong các kênh điều khiển thyristor

Điện áp từ một trong các nguồn đi vào các đầu vào của (Conn1 và Conn2),

điện áp này đợc đo bởi Vôn kế (khối Voltage Measurement) Khi tạo ra tín hiệu tăng ở đầu ra thì xung vuông đợc định dạng từ đờng hình sin bởi khối Relay đợc tích phân bởi khối Intergrator Quá trình tích phân ngừng lại và bộ tích phân trở

về 0 khi đa vào xung kích bằng khối Hit Crossing Khối cuối cùng ghi lại sự

chuyển điện áp qua điểm 0 Tóm lại ở đầu ra của bộ tích phân tín hiệu răng ca

đ-ợc định dạng, tín hiệu này gắn với điện áp của nguồn dòng điện xoay chiều (hình4.34)

Thông tin điều khiển theo mức từ khối ag(0-180)gr đợc đa vào In1 Tín

hiệu này có thể thay đổi một cách trơn tru trong khoảng từ 0 đến 1 tơng ứng với

sự thay đổi của góc điều khiển từ 0 đến 180o Khi nào tín hiệu điều khiển lớn hơn

tín hiệu răng ca thì ở đầu ra của khối Relational Opeator tín hiệu bằng 0, trong

trờng hợp ngợc lại tín hiệu bằng 1

Tín hiệu đơn vị ở đầu ra của kênh điều khiển mở thyristor tơng ứng và trêntải một phần điện áp đợc định dạng Trong chu nửa chu kỳ tiếp theo thyristor thứhai đợc mở và trên tải phần tiếp theo của điện áp ra đợc định dạng

Trên hình 4.35 đa ra đờng điện áp ra của chỉnh lu đối với góc điều khiển 0o,

30o và 150o một cách tơng ứng

Hình 4-34 Đồ thị tín hiệu ra của một trong các khối điều khiển thyristor

Trong quá trình điều chỉnh điện áp đầu ra thì dạng của điện áp đầu ra củachỉnh lu thay đổi rất nhiều Vì vậy rất cần thiết xác định thành phần hài của điện

áp này với các góc điều khiển khác nhau

Có thể tính đại lợng của các hài điện áp ra với sự trợ giúp của khối Fourier giống nh việc áp dụng hàm phân tích thành phần của khối Powergui nh đã nói

trớc đây Trong mô hình này ta áp dụng phơng pháp đầu tiên Để làm đợc điều đó

thì 5 khối phân tích thành phần Fourieer thành các hài bậc từ 0 đến 4 đợc đa vào

mô hình Trong cử sổ thiết lập của mỗi khối tần số cơ bản đợc đa vào (50Hz) vàchỉ số các hài tuân theo tính toán, ví dụ nh hình 4.36 trong cửa sổ thiết lập củakhối hài 0

a) b)

Hình 4-36 Cửa sổ thiết lập của khối Fourier đối với hài 0

Kết quả của quá trình mô phỏng đợc chỉ ra ở hình 4.37 Co thể chú ý rằng ờng tơng ứng với hài bậc 0 của điện áp ra (U0) đồng thời đợc gọi là đặc tính điềukhiển của chỉnh lu

đ-Hình 4-37 Quan hệ của biên độ các hài của điện áp ra của chỉnh lu có điều

khiển và góc điều khiển.

Các sơ đồ nghịch lu này tơng ứng với các sơ đồ chỉnh lu có điều khiển, nhnggóc mở của các thyristor lớn hơn 2 Vì vậy chỉnh lu có điều khiển có thểchuyển về chế độ nghịch lu bằng các thay đổi góc khi có mặt sức điện động trêntải Thiết bị này đợc ứng dụng rộng rãi trong truyền tải điện năng, ở đó sự táI sinhnăng lợng đợc thực hiện bởi phơng pháp này

Thiết bị vận chuyển mạch là thành phần cơ bản của nghịch lu độc lập Cácthiết bị này có thể đợc làm theo sơ đồ một pha và 3 pha ( sơ đồ với đầu ra chung

điểm 0 hoặc cầu) Mô hình nghịch lu một pha dạng cầu đợc cho nh hình 43

hạn chế bởi sự khóa thyristor Các tụ điện có thể đợc sử dụng để định dạng đờng

điện áp ra của nghịch lu và xác định tính chất của các quá trình diễn ra trong sơ

đồ Trong mối liên hệ này các sơ đồ của nghịch lu độc lập chia ra nghịch lunguồn áp độc lập, nghịch lu độc lập nguồn dòng và nghịch lu độc lập cộng hởng.Các lĩnh vực ứng dụng chính của nghịch lu độc lập:

-Cung cấp cho các thiết bị tiêu dùng dòng điện xoay chiều, trong các thiết bị

mà ở đó nguồn năng lợng là ác qui, thậm chí là nguồn dự phòng của các thiết bịtiêu thụ tơng ứng khi ngắt mạng điện xoay chiều

-Truyền tải điện năng từ mạng điện hoặc nguồn điện một chiều nào đó chocác động cơ kéo hoặc các động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc mà đảm bảo đợc

sự tin cậy, đơn giản và giá thành rẻ

- Truyền động điện với các động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ.Nghịch lu là nguồn điều chỉnh điện áp và tần số;

- Biến đổi điện áp một chiều đại lợng này thành điện áp một chiều khác(DC-DC);

- Thiết bị để nhận đợc dòng điện xoay chiều ở tần số cần thiết từ nguồn biến

đổi năng lợng trực tiếp ( Máy phát nhiệt, quang, phần tử nhiên liệu) Mà nhữngthiết bị này tạo ra năng lợng ở dạng dòng điện một chiều;

- Nhiệt điện để nhận đợc dòng điện xoay chiều tần số cao (đúc kim loai);

4.2.1 Nguyên tắc làm việc cơ bản các bộ nghịch lu

Ta xem cá đặc điểm của nghịch lu nguồn áp ở ví dụ sơ đồ cầu 1 pha

Nguồn nuôi E làm việc ở chể độ nguồn điện áp (ví dụ ác qui), khi đợc cungcấp từ một mạch chỉnh lu ở đầu vào nghịch lu độc lập điện áp bao gồm tụ điệnlớn để ngăn dòng điện xoay chiều tăng cho nó các thuộc tính của một nguồn điện

áp Định dạng đờng điện áp ra đợc thực hiện bằng cách sử dụng thuật toán tơngứng để đóng ngắt các thyristor

Trong thuật toán đơn giản nhất thì các khóa nằm chéo nhau đóng mở lần ợt- đầu tiên là khóa K1và K2 sau đó là K3và K4 Đờng điện áp bao gồm từ dãycác xung hai cực tính với biên độ bằng E (hình 4.38,b) Dòng điện trên tải đợcxác định bởi điện áp và đặc tính tải

l-E

Ztai

K2

K3 K1

Hình 4-38 Nghịch lu độc lập: a-sơ đồ, b-điện áp của nghịch lu nguồn áp độc

lập, c- điện áp đầu ra nghịch lu nguồn dòng, d- điện áp đầu ra nghịch lu cộng hởng

Khi sử dụng thyristor đơn chức cần đa vào nghịch lu các khâu chuyển mạchdựa trên nguyên lý chuyển mạch tụ điện cỡng bức Khi dùng hoàn toàn cácthyristor và transistor thì sự khác biệt chỉ ở vắng mặt các khâu đảo mạch cỡngbức

Tụ điện đợc mắc song song với tải đối với nghịc lu nguồn dòng còn nguồnnuôi làm việc ở chế độ nguồn dòng Chế độ này đợc tạo ra bằng cách nối vàomạch nguồn cuộn dây Ld có độ tự cảm cao (hình 4.38,a) Đờng điện áp đợc tạo

ra bởi dẫn tuần tự các khóa trên đờng chéo Tụ điện nối song song với tải thamgia vào việc định dạng đờng điện áp và đảm bảo khóa các thyristor Đờng điện áptrong trờng hợp đơn giản nhất (khi hoàn toàn chỉ có tải tích cực) bao gồm các

đoạn theo hàm mũ nạp và phóng của tụ điện (hình 4.38,c)

Tụ điện có thể mắc nối tiếp hoặc song song với tải trong nghịch lu cộng ởng độc lập Đặc tính của quá trình trong mạch chính trong mạch của sơ đồ khóa

h-đợc quy ớc bởi quá trình dao động trao đổi điện tích của tụ điện với nguồn và độ

tự cảm đa vào hoặc có trong tải Từ đó dòng điện trong mạch tải gần nh có dạnghình sin (hình 4.38,d)

Ngoài ra việc tạo thành đờng cong dòng điện (điện áp) của tải, các tụ điệncòn thực hiện nhiệm vụ đóng các thyristor

Sự hình thành đờng điện áp ra của nghịch lu ở dạng xung có cực tính đổichiều luân phiên và có độ dài nh nhau đòi hỏi mở tuần tự các thyristor nằm chéosao cho mỗi thyristor mở trong khoảng nửa chu kỳ Đây là phơng pháp đơn giảnnhất trong sơ đồ thực hiện nhng nó khác bởi chứa nhiều các hài bậc cao trong

điện áp thu đợc

Nh vậy, nếu hài bậc 1 của điện áp chiếm 100% thành phần cơ bản thì hàibậc 3 chiếm 33,3%, hài bậc 5-20%, hài bậc 7-14,3%

Để tách ra hài bậc 1 của điện áp ra trên tải ngời ta thực hiện bằng cách đặt

bộ lọc vào giữa nghịch lu và tải

Phơng pháp độ rộng xung định dạng và điều chỉnh điện áp ra của nghịch luloại bỏ đợc các nhợc điểm trên

thực hiện điều chỉnh điện áp ra , trong trờng hợp riêng là điều chỉnh giá trị hiệudụng thành phần hài bậc nhất của nó Ví dụ mô hình nghịch lu đợc đa ra trên hình

43 và 58 còn đờng điện áp ra trên tải ở hình 44 và 59

Các hài bậc cao của điện áp ra trong các nghịch lu này có thể không vợt quávài phần trăm (%)

4.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lu cộng hởng 1 pha

Nghịch lu với khâu dòng điện một chiều hoặc nh đã gọi là nghịch lu độc lập

đợc ứng dụng rộng rãi để tạo ra dòng điện xoay chiều có tần số cao Chúng cầnthiết để cung cấp cho các thiết bị điện có thể di chuyển, nung và tôi cảm ứng vàcác mục đích khác

Chúng ta xem sơ đồ loại nghịch lu này ở hình 4.39

Sơ đồ bao gồm nguồn điện xoay chiều 3 pha đấu với chỉnh lu 3 cầu phathông qua biến thế và nghịch lu nửa chu kỳ với 2 transistor trờng công suất Hệhai điện áp tơng đối với điểm 0 của biến áp đợc tạo ra ở đầu ra của chỉnh lu cầu,các điện áp này dùng để cung cấp cho nghịch lu nửa chu kỳ Sơ đồ nghịch lu t-

Rvar

~Uvao

Đến mỏy hiện súng

và phõn tớch phổ VD5

VD4

A1 B1 C1

A1+

B1+

A2 B2 C2

Cf1

Mạch điều khiển (mỏy phỏt f=250Hz)

A

V

C L

Hình 4-39 Sơ đồ nghịch lu cộng hởng

Tóm lại tải của nghịch lu đợc chỉnh đến tần số cộng hởng

(4.13)Mô hình của nghịch lu đã xét đợc chỉ ra ở hình 4.40

Trong sơ đồ sử dụng các khối đã xem và ứng dụng trớc đây trong mô hình

của chỉnh lu không điều khiển Điện trở của tải trong mô hình Rn thực hiện biến

đổi trong giới hạn 0-100Om

Đấu điện trở R có giá trị lớn (1 MOm) song song vơi mạch tải ở đầu ra của

nghịch lu Điện trở không ảnh hởng đến các quá trình điện trong sơ đồ và dùng để

đo điện áp ra của nghịch lu và đa nó vào trong cửa sổ nhập tham số của khối

Multimeter nh hình 4.41.

Hình 4-40 Mô hình nghịch lu 1 pha

Véc tơ đầu ra của khối Multimeter đợc chia ra các thành phần sau: điện áp

Ub trên điện trở R (ở đầu ra của nghịch lu) và dòng điện Ib qua tải của nghịch lu Các thành phần trên đợc đa vào khối Discrete Active & Reactive Power Khối

này tính tính toán công suất tác dụng và phản kháng trong khi đó dạng của dòng

điện và điện áp ở đầu ra của khối có thể khác với dạng hình sin

Hình 4-41 Một phần cửa sổ Multimeter

Cửa sổ thông số của khối trên đợc cho ở hình 4.42 Trong khối chỉ ra tần sốcủa hài bậc 1 và tần số lấy mẫu (trong trờng hợp của chúng ta là 5.10-6 )

Hình 4-42 Cửa sổ thiết lập của khối Discrete Active & Reactive Power

Trong quá trình mô phỏng công suất phản kháng của tải nhận đợc là khônglớn vì mạch thiết lập cộng hởng

Khi mô phỏng thiết lập chính xác có thế rất khó nhng nếu công suất phảnkháng không vợt quá 5% công suất tác dụng thì có thể coi nh mạch thiết lập cộnghởng

Giá trị hiệu dụng dòng điện và điện áp trên tải nhận đợc bởi hai khối

Discrete RMS value chỉ thị bằng kim: Ape kế và Vôn kế.

Mô hình đã cho mở ra khả năng lớn cho khảo sát các đặc tính của nghịch lu

Ví dụ ở hình 4.43 cho thấy dạng dòng điện đầu ra của nghịch lu khi điện trởtải thay đổi

Từ đồ thị ta thấy với sự gia tăng của điện trở tải thì dạng đờng cong củadòng điện càng không giống hình sin

Thay đổi điện trở tải có thể thu đợc đặc tính ra của nghịch lu, thể hiện ởhình 4.44

b)

H×nh 4-33 §êng dßng ®iÖn t¶i: a-khi ®iÖn trë 2Om;b-10Om