ths_le_ngoc_tam_bai_giang_dtcs_1.pdf

Veõ daïng soùng doøng taûi vaø doøng qua nguoàn vaø xaùc ñònh khoaûng daãn cuûa töøng linh kieän.. Xaùc ñònh trò trung bình doøng qua nguoàn vaø coâng suaát do nguoàn cung caápe[r]

(1)

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

I Phân loại linh kiện bán dẫn theo khả điều khiển:

Các linh kiện bán dẫn công suất lĩnh vực điện tữ cơng suất có chức bản: đóng ngắt dịng điện đi qua

Các linh kiện bán dẫn cơng suất theo chức đóng ngắt dịng

điện theo khả điều khiển chức chia làm 03 nhóm chính:

- Nhóm 1: gồm linh kiện không điều khiển diode, diac;

- Nhóm 2: gồm linh kiện điều khiển kích đóng

Thyristor, triac;

- Nhóm 3: gồm linh kiện điều khiển kích ngắt

(2)

II Diode:

(3)

2 Đặc tính V – A

a Diode lý tưởng

(4)

(5)

(6)

(7)

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN - Điện áp: áp thuận UCE >

Có thể khố điện áp 101 ÷ 102 V

- Dịng điện: điều khiển dòng điện từ vài chục đến vài trăm ampe (101 ÷ 102 A)

- Tần số fsw cao >20KHz

BJT loại linh kiện điều khiển hồn tồn (đóng ngắt) Tín hiệu dịng IB có đặc điểm:

+ Liên tục

(8)

(9)

Trong vùng chưá đặt tuyến ngỏ ra, ta phân biệt vùng nghịch, vùng bảo hồ vùng tích cực

+ Vùng nghịch: đặt tuyến ngỏ với thông số IB = nằm vùng Transistor chế độ ngắt Dịng iCO có giá trị nhỏ qua transistor tải Khi UBE < độ lớn dịng iCO

+ Vùng bảo hồ: Nếu điểm làm việc nằm vùng bảo hoà transistor đóng, dịng iC dẫn điện UCE đạt giá trị

UCESAT nhỏ khơng đáng kể (khoảng ÷ V) Điện UCESAT gọi điện bảo hoà

(10)

(11)

IV Transistor trường MOSFET

(12)

MOSFET trạng thái ngắt điện áp cổng thấp giá trị

UGS

Một số đặt điểm:

Áp điều khiển điện áp 101 ÷ 102 V

(13)

(14)

V Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT

(15)

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN IGBT có ưu điểm BJT MOSFET

- Điện áp: áp thuận UCE > Có thể khố điện áp ÷ 1200 V

(16)

VI Thyristor

(17)

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Thyristor có trạng thái làm việc:

- Mở

(18)

Điều kiện để mở Thyristor

• UAK >

• Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển

Điều kiện để đóng Thyristor Đặt điện áp ngược lên A – K

2 Đặc tính Volt - Ampe

(19)

(20)

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN UBR: điện áp ngược đánh thủng

UBO: điện áp tự mở thyristor UTO: điện áp rơi Thyristor IH: Dịng trì (holding)

(21)

(22)

VII Triac

(23)

(24)

(25)

Chương 2

(26)

t

ω

ω π

π

π π

0

m

U U0

0

i

A

U u2( )t U0

0

i u2( )t

( )t u2

m

U

π 2π 3π 4π

R

( )t U ( t)

u2 = msinθ θ =ω

Sơ đồ và dạng sóng mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha tải R

(27)

Khi tải thuần trở:

• Trong khoảng 0< điện áp nguồn dương, diode phân cực thuận nên dẫn điện (nếu xem diode lý tưởng )

sin Um θ

u = 0 sin θ

R U R

U

i = = m

Ta có

io có dạng sóng với nhu0 hình vẽ)

• Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = = ∫ ∫ θ θ ∫ θ π θ π π π π π d d U d U

UAV m

2

0

0 sin

(28)

• Trị trung bình dịng tải

R U R

U

IAV AV m

π

= =

• Trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp

(29)

II Chỉnh lưu toàn kỳ (Dùng máy biến áp thứ cấp có điểm giữa)

A Chỉnh lưu hình tia

(30)

9Trị trung bình điện áp ngõ ra: chu kỳ áp chỉnh lưu Tp = ½ T

9Dịng điện trung bình tải:

(31)

( )t u2

( )t u1

R

1

D D2

4

D D3

A

B

( )t u2

m

U

π 2π 3π 4π t ω π π π π 0 U i

D D2 D1 D2

m U t ω π π π π max ng U

Sơ đồ và dạng sóng mạch

(32)

( )t U ( t) u2 = msinθ θ =ω

Tải R

0 ,

0 <

> B

A V

V điện điểm A dương π

θ < <

0

Trong khoảng

Dòng điện từ A→B diode D1, D3 dẫn, D2, D4 tắt

(33)

• Trị trung bình điện áp chỉnh lưu ( ) ∫ = − = = π π π π π θ θ

π 0

2 cos

0 cos sin

1 m m

m AV U U d U U

• Trị trung bình dịng điện tải

R U R

U

I AV AV m

π

2

= =

• Trị trung bình dịng qua D1 ,D3.(D2,D4)

R U I I I I

ID D D D AV m

π = = = = =

• Trị hiệu dụng = π∫ ( θ ) θ π 0 sin d U

U RMS m ( )

(34)

Tải RL

• Trị trung bình điện áp chỉnh lưu • Trị trung bình dòng điện tải

R U R

U

I AV AV m

π

2

= =

• Trị trung bình dịng qua D1 ,D3.(D2,D4)

R U I I I I

ID D D D AV m

π = = = = =

• Trị hiệu dụng π∫ ( θ )2 θ π

2 2

AV m

U U

π

(35)

t

ω

( )t u1

R

1

D D2

4

D D3 A

B

( )t u2

+

− E

( )t u2

m

U

π 2π 3π 4π

0 t ω π π π π max ng U t ω π π π π 0 U i m U

θ θ2

(36)

• Trị trung bình điện áp chỉnh lưu

∫ ∫

−

+

= 1

1

2 sin

1 π θ θ

θ

θ π

θ θ

π U d Ed

UAV m

( ) ( ) π θ θ π θ π E

Um

cos

cos 1 − − 1 +

=

1 θ

θ

⇒

(37)

Trị trung bình dòng tải

( )

(cos 1 cos 1 ) ( 1)

sin 1 θ π π θ π θ π θ θ π θ π θ − − − − = − = ∫ − R E R U d R E U

IAV m m

Trị trung bình dịng qua diode

2 sin 1 AV m D I d R E U

I = ∫ − =

− θ θ π θ π θ

(38)

CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN PHA

1 CHỈNH LƯU HÌNH TIA PHA:

TẢI RE:

Trường hợp 0<E<Um/2:

(39)

(40)

Điện áp chỉnh lưu có xung, chu kỳ áp chỉnh lưu Tp = T/3 Với T chu kỳ áp nguồn xoay chiều

Điện áp trung bình tải Ud :

(41)

CHỈNH LƯU KHƠNG ĐIỀU KHIỂN PHA

Dịng trung bình qua tải Id :

R E U

I d

d

− =

Dòng trung bình qua diod:

3 I

I d

D =

Điện áp ngược cực đại diod:

max

N 6U

(42)

(43)

Dịng trung bình qua tải:

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − τ θ π θ = θ = θ − θ π = ∫ θ θ 1 d 2 d sin T cos R U 2 3 I sin U 2 E d R E sin U 2 2 3 I

Dịng trung bình qua diod:

I

(44)

2 CHỈNH LƯU HÌNH CẦU PHA:

TẢI R:

(45)

Hoạt động sơ dồ trình bày bảng sau:

Khoảng Chiều dịng điện Diod mở Điện áp tải ud

A _ B _ Uab

A – C – Uac

B – C – Ubc

B – A – Uba

C – A – Uca

C – B – Ucb

/ / 6

π − π

3 / / 6π − π 5 /6 /6π − π

7 / / 6π − π

9 / 11 / 6π − π

(46)

(47)

Trị trung bình điện áp tải :

π = ⇒ θ − π = ⇒ θ π = ∫ ∫ π π π d b a d d d U 6 3 U d ) u u ( 2 6 U d u 2 1 U

Trò trung bình dòng qua tải:

U

(48)

CHỈNH LƯU KHƠNG ĐIỀU KHIỂN PHA • Trị trung bình dòng qua diod:

Tải RE

3 I I d

(49)

(50)

Trị trung bình dòng qua tải:

d

i ud > E

Để có dịng tải liên tục phải thõa mãn điều kiện:

d d u E i R − = 6 os 3 d d

U c E

(51)

I Chỉnh lưu bán kỳ :

a Tải R

(52)

Trị trung bình điện áp tải:

Trị trung bình dòng qua tải:

R U

I d

d =

2 cos 1

U 45 , 0 t

d . t sin U

2 2

1

Ud 2 ω ω = 2 + α

π

= ∫

π α

(53)

I Chỉnh lưu bán kỳ :

b Tải RL

ud u2

T

L R u1

+

(54)

Phương trình mạch tải:

ud + eL = Rid

dt di L Ri

ud = d +

⇔

( )

[cosα cos λ α ]

U 2 U θ d α θ sin U 2 π 2 1 U ' d λ d ' + − = + = ∫

(55)

II Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

a.Tải R

0

U

0

i

( )t

u1 R

21

i

22

i

( )t u21

( )t u22

m

U

α G1

2

G t

ω

( )t u2

m

U

π 2π 3π 4π

0

( )t

u21 u22( )t

2

SCR

1

(56)

Trị trung bình điện áp tải

Trị trung bình dịng qua tải

R U Id = d

Điện áp ngược cực đại SCR

( α π )

π θ

θ π

π α

cos cos

sin

1 = −

= ∫ m

m AV

U d

(57)

II Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

b Tải RL Nếu ωL >>R nên id dòng liên tục

ud

u21

T1

L R

u1

+

-u22

+

θ

sin U

2 u

(58)

u2 Um

0

‐Um

π 2π

θ

u21 u22

iG

α

0

θ π+α

ud

0

α

(59)

∫+

= π α

α

2

d 2U sinθdθ

π

1 U

R U

I d

d =

α cos π

U 2 2

U

d =

2 max

T 2 2U

(60)

c Tải RLE:

0

U i0

α G1

2

G E

t

ω

( )t u2

m

U

π 2π 3π 4π

0

( )t

u21 u22( )t

( )t u1 R 21 i 22 i

( )t u21

(61)

(62)

(cosα cosλ)

π

U

d= −

( ) (λ α)

R

π

E

λ

cos

α

cos R

π

U

I

d = − − −

Trường hợp id dòng liên tục, λ = ta có:π+α

U

(63)

u2

Um

-Um

0

π 2π θ

iG1,3

α

iG2,4

π+α ud

θ

III Mạch chỉnh lưu cầu:

a Tải R:

R

u2 ud u1

T1

T2

(64)

Dòng qua tải id dòng gián đọan

Khi θ = θ1 ; iG1,3 > 0, T1 dẫn & T3 dẫn ⇒ ud = u2

Khi θ = π + α iG2,4 > T2 & T4 dẫn ⇒ uT2,4 = ⇒ ud = u2

Trị trung bình điện áp tải Ud

∫π θ θ

π

= 2U sin d

(65)

R U

I d

d =

Trị trung bình dịng qua SCR

2 I

I d

T =

2 max

T 2U

(66)

(67)

III Mạch chỉnh lưu cầu pha không đối xứng:

(68)

(69)

(70)

MẠCH CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA CĨ ĐIỀN KHIỂN

m

U U0

0 0 G G G t ω

( )t

ua ub( )t m

U

π 2π 3π

( )t uc π U i R

( )t ub

( )t uc SCR SCR SCR

( )t ua

(71)

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu

α π = θ θ π = θ π = ∫ ∫ α + π α + π π cos U U d sin U 2 d u U d 6 2 d d

Trị Trung bình dịng qua tải

U

(72)

MẠCH CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA CĨ ĐIỀN KHIỂN T1 T2 T3 Lc Lc Lc ec eb ea L R

Trị trung bình điện áp tải : π 6 < α < π

•TẢI RL:

∫+ + = α π α π θ θ π 6 sin d U

(73)

MẠCH CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA CÓ ĐIỀN KHIỂN

3

π ≤ α ≤ π

π < α < π

(74)

Xét hiện tượng trùng dẫn: ) sin( U e ) sin( U e sin U e c b a π + θ = π − θ = θ =

•Giả sử T1 dẫn,cho dịng chảy qua T1 : iT1 = Id

•Khi θ = θ2 có xung kích cho T2 dẫn Lúc cả 2 SCR T1

& T2 dẫn cho dòng chảy qua làm cho nguồn ea & eb

ngắn mạch

•Nếu ta dời góc tọa độ từ 0 đến θ2 ,ta có :

)

sin( U

2

(75)

(76)

• Điện áp ngắn mạch uc :

• Dịng điện ngắn mạch :

• Giả sử quá trình chuyển mạch chỉ xảy trong đọan

từ θ2 -> θ3 gọi µ là góc trựng dn : = 3- 2

ã Khi θ = µ ⇒ iT1 = & iT2 = Id

• Do đó ta có phương trình chuyển mạch:

) sin( U 6 e e

uc = b − a = 2 θ + α

[cos cos( )]

2 6 2 ) sin( 6

2 θ + α = θ = α − θ + α

c c c X U d di X U d cI X ) cos(

(77)

• Xác định ∆Uµ ∫ ∫ ∫ µ µ µ µ µ µ θ α + θ π = ∆ θ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − π = ∆ θ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + π = ∆ a b b a b d ) sin( U U d e e U d e e e U

[cos cos( )]

4 U 6 3

U α − µ + α

π =

∆ µ

Phương trình chuyển mạch

π = ∆ µ 2 I X 3

(78)

Trị trung bình của điện áp tải Ud’ bị giảm đi 1 lượng ∆Uµ

π

µ

2 3

/ c d

d d

d

I X U

U U

(79)

•Tải R+E

m

U U0

0 0 G G G α i θ t ω

( )t

ua ub( )t

m

U

π 2π 3π

( )t uc π + −E U i R

( )t ub

( )t uc SCR SCR SCR

(80)

2

m

U E <

Nếu dạng sóng điện áp ngõ không bị ảnh hưởng

m

m E U

U

< <

2

Nếu dạng sóng điện áp ngõ bị ảnh hưởng

oTrị trung bình điện áp chỉnh lưu

∫ ∫ + + + = 1 6 sin θ α π α π θ θ π θ θ

π U d Ed

UAV m

( )

( 1) (5 6 1)

2 3 cos 6 cos 2

3 π α θ

π θ

α π

π + − + + −

(81)

MẠCH CHỈNH LƯU PHA HÌNH CẦU CĨ ĐIỀN KHIỂN

•Tải R

0

U

0

i R

( )t ua

( )t ub

( )t uc U A B C

SCR SCR2 SCR3

4 SCR SCR SCR 0 0 0 , G , G , G , G , G , G t ω

( )t

ua ub( )t

m

U

π 2π 3π

( )t uc π m U

( ) msinθ

a t U

u = ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = sin θ π

m b t U

(82)

Trường hợp 0 ≤ α ≤ π 3

•Trị trung bình điện áp chỉnh lưu

( ) ∫+ + + = α π α π θ θ π π 6 sin 3 d U

U AV m

( ) ( )

( π α π α )

π + − +

= 3 3Um cos 3 cos 2 3

•Trị trung bình qua tải

(83)

3

3 α π

π < < Trường hợp

( ) ∫ + + = 6 6 sin 3 3 π α π θ θ π

π U d

UAV m

( )

( π α )

π + +

−

= 3U m cos

(84)

•Tải R+L :

0

U

0

i R

( )t ua

( )t ub

( )t uc

A

B

C

1

SCR SCR2 SCR3

4 SCR SCR SCR 0 0 0 , G , G , G , G , G , G

L ωt

( )t

ua ub( )t

m

U

π 2π 3π

( )t uc

0

π

(85)

Trường hợp < α < 2π dạng sóng ngõ khơng ảnh hưởng đến L

( ) ∫ + + = 6 sin 3 π α π θ θ π

π U d

UAV m

( )

( π α )

π + +

−

= 3U m cos

(86)

(87)

Ud =UdA – UdK

Ud = R.id L + L did/dt + E

Phương trình mơ tả trạng thái mạch, giả sử V1, V2 đóng:

uV1 = 0; uV2 = 0;

uV3 = u2 – u1; uV4 = u1 – u3

Iv1 = id; iv2 = id ; iv3 = 0; iv4 = 0; uv5 = u3 – u1; uv6 = u2 – u3

(88)

Các hệ quả khi dòng tải liên tục:

- Chu kỳ điện áp chỉnh lưu 1/6 chu kỳ áp nguồn Tp =1/6T - Trị trung bình áp chỉnh lưu:

α π

= 3 6U cos

Ud

- Phạm vi góc điều khiển: α (0, π)

R E U

I d

d

− =

(89)

(90)

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU I Chức năng:

Bộ biến đổi điện áp chiều dùng để điều khiển trị

trung bình điện áp chiều ngõ từ nguồn điện áp chiều không đổi

Điện áp tải có dạng xung q trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp chiều không thay đổi vào tải

II Ứng dụng:

- Truyền động điện điều chỉnh điện áp DC

- Dùng giao thông công cộng, nguồn cung cấp cho ô tô

(91)

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

III Phân loại:

1 Phân loại theo chức biến đổi

• Giảm áp – mắc nối tiếp • Tăng áp – mắc song song

• Điều khiển xung giá trị điện trở

2 Phân loại theo phương pháp điều khiển

(92)

IV Nguyên lý làm việc bộ biến đổi xung 4.1 Bộ biến đổi giảm áp – mắc nối tiếp

(93)

- Bộ giảm áp gồm nguồn điện áp chiều không đổi mắc nối tiếp với tải qua công tắc S Tải chiều tổng quát gồm RL sức điện động E (động điện chiều) Diode không V0 mắc song song với tải

- Khóa S:

+ Đối với tải cơng suất nhỏ sử dụng MOSFET, BJT + Đối với công suất lớn sử dụng IGBT

(94)

b Phân tích:

- Đóng khóa S [0 ÷T1] Uz = U

Dịng qua tải iz theo phương trình: E U

dt z di . L z i.

R + + =

iZ(0) = izmin: dòng thời điểm ban đầu đóng khóa S Nghiệm phương trình dịng:

) ( i t e ) ( i E U ) t (

i ⎟⎟ +

(95)

- Ngắt khoá S [T1 < t < T]: khoảng thời gian ngắt T2

Do tồn cuộn L nên dịng trì chiều cũ khép kín qua diode khơng V0

Uz =

0 E dt z di . L z i.

R + + =

Điều kiện đầu: iz(T1) = izmax : giá trị dịng thời điểm ngắt khố S Nghiệm phương trình:

) T ( z i T t e ) T ( z i E ) t ( z

i ⎟⎟ +

(96)

(97)

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU c Các hệ quả:

- Trị trung bình áp tải:

T T U U T T T Udt T z U = γ γ = = ∫ =

Tỷ số đóng khóa S

0 ≤ γ ≤ => ≤ Uz ≤ U

- Trị trung bình dịng qua tải:

min z I max z I E z

(98)

- Độ nhấp nhơ dịng tải: ∆iz = Izmax - Izmin

d Ví dụ:

Cho giảm áp DC có điện áp U = 400V, R =10Ω, L = 0,2H, E = 100V

Tần số đóng ngắt khóa S: fsw = 10kHz Dịng trung bình qua tải Iz = 10A

a Xác định tỷ số đóng khố S: γ

b Tính T1, T2

(99)

(100)

- Khi thực hãm tái sinh động chiều, lượng từ nguồn sức điện động E trả lại nguồn điện áp chiều U, điều thực nhờ hoạt động tăng áp

- Điều kiện để mạch hoạt động E < U nguồn U có khả tiếp nhận lượng tải trả

- Diode V0 cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải

(101)

b Phân tích:

- Đóng khóa S [0 ÷T1] Uz =

Dịng qua tải iz theo phương trình: E

dt z di . L z i.

R + =

iZ(0) = izmin: dịng thời điểm ban đầu đóng khóa S Nghiệm phương trình dịng:

) ( z i t e ) ( z i R E ) t ( z i + ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ τ − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − =

(102)

- Ngắt khoá S [T1 < t < T]: khoảng thời gian ngắt T2

Do tồn cuộn L nên dịng trì chiều cũ khép kín qua diode khơng V0

Uz = U

U E

dt z di . L z

i.

R + = −

Điều kiện đầu: iz(T1) = izmax : giá trị dòng thời điểm ngắt khố S Ngiệm phương trình:

1 T

t ⎞

(103)

(104)

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU c Các hệ quả:

- Trị trung bình áp tải:

T T U ) ( U T T T T Udt T z U = γ γ − = − = ∫ =

Tỷ số đóng khóa S

0 ≤ γ ≤ => ≤ Uz ≤ U

(105)

V Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp chiều:

5.1 Điều khiển với thời gian đóng T1 khơng đổi:

Khi có tín hiệu u cầu, cơng tắc S kích đóng thời gian T1 cố định Sau cơng tắc S trở lại trở lại trạng thái ngắt Thời gian ngắt T2 chu kỳ đóng ngắt T thay đổi tuỳ ý Vấn đề

(106)

5.2 Điều khiển với tần số đóng ngắt khơng đổi

Chu kỳ đóng ngắt T khơng thay đổi Điện áp trung bình tải điều khiển thơng qua phân bố khoảng thời gian

đóng T1 và ngắt công tắc T2 Đại lượng đặt trưng khả phân bố tỉ số γ

Sóng điều chế có tần số khơng đổi tần số đóng ngắt cơng tắc S Tần số thành phần xoay chiều hài

(107)

5.3 Điều khiển theo tỷ lệ dòng tải:

Trong trường hợp tải động chiều, việc điều khiển moment động thơng qua điều khiển dịng điện (tỉ lệ

với moment) Để hiệu chỉnh dòng điện phạm vi cho phép, ta sử dụng phương pháp điều khiển theo dịng

điện Theo cơng tắc S đóng ngắt cho dịng điện tải đo

(108)

(109)

(110)

(111)

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU I Chức năng:

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để điều khiển trị

hiệu dụng điện áp ngõ ra, đuợc mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số trị hiệu dụng không đổi tạo điện áp ngõ xoay chiều có tần số trị hiệu dụng điều khiển

được

II Ứng dụng:

- Truyền động điện động không đồng (khởi động mềm) - Điều khiển tốc độ động KĐB máy quạt, máy bơm - Bù nhuyễn công suất phản kháng

(112)

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU III Bộ biến đổi áp AC pha

(113)

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

2 Phân tích mạch:

2.1 Trường hợp tải trở:

a Trạng thái [0÷α] Iz =0, uz =

(114)

uv1= 0; iv1 = iz Uz = u; iz = uz /R uvz = 0; iz =

Tại thời điểm ωt = π; u = => Uz = => iz = => iv1 = V1 ngắt

b Trạng thái v1 [α ÷π ]

c Trạng thái [π ÷ (α +π) ] Iz =0, uz =

(115)

d Trạng thái v2 [(α +π) ÷ 2π ] Uv2 =

Uz = u; iz = uz /R uv1= o, iv1 = o Iv2 = - iz

Tại thời điểm ωt = 2π

(116)

e Các hệ quả:

- Trị hiệu dụng áp tải

π α + π α − = ω ω ∫ π α π = 2 sin U z u ) t ( d t sin m U z U

Với α [rad]

(117)

- Hệ số công suất nguồn:

λ = Pz /S = Uz.Iz / U.I I = Iz

π α +

π α − =

λ

2 2 sin 1

* Khuyết điểm:

(118)

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Ví dụ:

Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha, áp nguồn có phương trình

t 314 sin

2 220

u =

R = 10Ω, α = 600

a Vẽ giản đồ Uz , iz b Tính trị số Uz , Iz

(119)

(120)

* Xét hai trường hợp:

- ≤ α ≤ π/2 : Dòng tải liên tục uz = u

- π/2 ≤ α ≤ π: dòng tải gián đoạn ≤ uz ≤ u

a Trạng thái iz =0, uz =

(121)

uv1= 0; iv1 = iz uz = u;

uv2 = 0; i2 =

b Trạng thái v1 [α ÷ (2π - α )]

(122)

Khi ωt = α => iz =

ωt = π => iz = Izmax

ωt = 2π – α => iz = => SCR V1 ngắt c Trạng thái 0: [(2π – α) ÷ (π + α)] Phân tích tương tư tải R

(123)

* Hệ quả:

Đối với tải L góc điều khiển π/2 ≤ α ≤ π ta có: + Dịng tải gián đoạn

+ Trị hiệu dụng áp tải

2 ) 2 sin ( m U z U π α + π α − =

+ Trị hiệu dụng dòng điện qua tải:

(124)

(125)

Các dạng sơ đồ động lực:

∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼

∼ ~ ∼

(126)

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = = sin sin sin π θ π θ θ U u U u U u c b a

(127)

Xét dòng điện tải pha a: các điện áp liên quan đến pha a:

Usin θ

2 u a =

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = 6 π ωt Usin 6 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = − = 3 2π θ Usin 2 Usinθ 2 u u

uab a b

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − = 6 π ωt Usin 6 u u

(128)

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha cấp nguồn

cho tải thuần trở R=10Ω Nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng 220V, 50Hz Góc điều

khiển α = 90

a Tính trị hiệu dụng áp tải.

b Tính cơng suất tiêu thụ của tải. c Tính hệ số cơng suất

d Để đạt được công suất tải bằng kW, tính độ

lớn góc kích

(129)

(130)

(131)

• Cơng tắc xoay chiều ba pha dạng đầy đủ

(132)

(133)

Chương 5

BỘ NGHỊCH LƯU

(134)

Giới thiệu

Bộ nghịch lưu: DC Ỉ AC Phân loại theo cấu hình:

Nghịch lưu nguồn áp

Nghịch lưu nguồn dịng

Phân loại theo tín hiệu điều khiển

ở ngõ nghịch lưu:

Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu dòng

Ứng dụng nghịch lưu:

Truyền động điện động xoay chiều

(135)

Giới thiệu

Bộ biến tần: ACỈ AC

Biến tần gián tiếp: ACỈ DC Ỉ AC

Biến tần trực tiếp (Cycloconverter): AC (tần số cao) Ỉ AC (tần số thấp) Với biến tần: cần thay đổi điện áp tần số đồng thời

(136)

Bộ nghịch lưu áp một pha

Cấu hình nghịch lưu áp pha

(137)

(138)

Nghịch lưu áp pha điều khiển đơn giản:

Phân tích Fourier điện áp ngõ dạng xung vuông: 1,3,5

4

( ) sin( )

t

n

U

u t n t

nπ ω

∞ =

= ∑

Aùp tải chứa thành phần hài bậc lẻ

Độ méo dạng điện áp tính theo hệ thức sau:

) 1 ( t 2 ) 1 ( t 2 t ) 1 ( t 2 n 2 ) n ( t U U U U U U

THD = ∑ = −

∞

=

Dễ dàng suy rằng:

2

4

U − ⎜⎛ U ⎞⎟

(139)

Ví dụ 5.4:

Cho nghịch lưu áp dạng cầu pha với dạng sóng điện áp cho hình Giả thiết dịng điện qua tải có dạng it =540sin(ω πt − 4)

Nguồn DC có độ lớn 300V

a Vẽ dạng sóng dịng tải dịng qua nguồn xác định khoảng dẫn linh kiện

(140)

a Dạng sóng dịng tải dịng nguồn vẽ hình b Dịng trung bình qua nguồn:

= ∫ − = π ω π ω π 243 540 A t d t

IsAV sin( ) ( ) ,

Công suất nguồn cung cấp:

Ps=300.243,1=72.930W=72,93kW

c Trị hiệu dụng thành phần hài áp ra: Ut U 27014V

2 300 400 , ) ( = = = π π

Pt=Ut(1).It(1).cosϕ1=270,14

4

(141)

Ví dụ 5.5:

Bộ nghịch lưu áp pha mắc vào nguồn chiều U Tải R = 10Ω, L =0,01H

Bộ nghịch lưu áp điều khiển theo phương pháp điều biên a- Tính độ lớn nguồn U để trị hiệu dụng áp tải Ut = 100V

b- Với áp nguồn xác định câu a Tính trị hiệu dụng hài điện áp ngõ

(142)

Giải:

a/- Trị hiệu dụng áp tải: Utrms = U = 100V Vậy cần có áp nguồn U = 100V

b/- Áp dụng phân tích Fourier cho áp tải ut, biên độ sóng hài bậc n áp ra:

4

n

U U

nπ

= , n = 1, 3, 5, 7…

Trị hiệu dụng sóng hài (n = 1) áp tải:

( )1

4

90,03[ ]

2

t

U U

U V

π

(143)

c/- Trị hiệu dụng dòng điện tải tính theo hệ thức:

∫ π

π = 2

0 t t 21 i .dx I

Để khơng phải giải phương trình xác định dịng it, ta áp dụng cơng thức sau :

( ) 2 1 1 j 2 j t t i

I ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ∑∞ =

Với ( ) ( )

( ) ( )2

4 t n t n n U U n I

Z R n L

π ω

= =

+

Ta thấy bậc n sóng hài bậc cao, trị hiệu dụng dòng điện tương ứng thấp Do đó, ta tính it gần thơng qua vài hài bậc thấp Ví dụ chọn n = 1,3,5,

Ut(k) Ut(1) [A] Ut(3) Ut(5) Ut(7) Ut(9) Ut(11)

[V] 87,828 29,27 17,56 12,54 9,75 7,98 It(n) It(1) [A] It(3) It(5) It(7) It(9) It(11)

(144)

Ví dụ 5.7:

Cho chỉnh lưu áp pha dạng mạch cầu

Tải trở R = 2,4Ω ; điện áp nguồn chiều U= 48V a Tính trị hiệu dụng hài áp ;

b Tính công suất trung bình tải ;

c Tính trị trung bình trị tức thời lớn dòng điện qua transistor; d Xác định điện áp khóa lớn đặt lên transistor ;

(145)

Giaûi:

a 43,2[V]

2 . 48 . 4 2 . U 4

Ut(1) = π

= π

=

b Công suất trung bình tải :

960 4 , 2 48 R U R dx . u 2 1 R U P 2 2 2 1 2 0 2 t 2 t

t = = =

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π = = ∫ π [w] c Trị trung bình dòng qua transistor:

10[ ] 2 TAV U U

I dx A

R R

π

= ∫ = =

(146)

a Điện áp khóa lớn đặt lên transistor x?y transistor nhánh d?n ví dụ S4 dẫn (UT4=0):

uT1= U - uT4 = U = 48[V] e Hệ số méo dạng áp ra:

( ) ) 1 ( t 2 1 2 ) 1 ( t 2 t ) 1 ( t 2 1 2 k 2 ) K ( t U U U U U U

THD ⎟ = −

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ∑ ∞ =

với Ut= 48 [V], Ut(1)= 43,2 [V]

Ta được: ( ) 0,484 2 , 43 2 , 43 48 THD 2 1 2 2

(147)

(148)

(149)

Nghịch lưu áp pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM)

Goïi mf tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) : e tria reference carrier f f f f f m sin = = Tăng mf Ỉ tăng giá trị tần số sóng hài Ỉ dễ lọc sóng hài

Điểm bất lợi việc tăng tần số sóng mang vấn đề tổn hao đóng ngắt lớn Tương tự, gọi ma tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) :

tri m e m carrier m reference m a U U U U m − − − − = = sin

Nếu ma ≤ 1(biên độ sóng sin nhỏ biên độ sóng mang)

(150)

(151)

Bậc sóng hài

Un/U

(152)

(153)

Bộ nghịch lưu áp ba pha

Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức: ut1 + ut2 + ut3 =

Điện áp pha tải ut1,ut2,ut3 Ta có:

ut1= u10- uNO; ut2 = u20- uNO; ut3 = u30-uNO

Có thể chứng minh được: uNO=u10 u20 u30

3

+ +

Thay uNO vào biểu thức tính điện áp pha tải, ta có:

10 20 30 20 30 10 30 10 20

1

2 2

; ;

3 3

t t t

u u u u u u u u u

u = − − u = − − u = − −

Điện áp dây tải:

(154)

(155)

(156)

Điều khiển kiểu bước (six-step)

Phân tích Fourier điện áp pha (ut1, ut2, ut3):

1 1,3,5 1,3,5 1,3,5

( ) sin sin

3

4

( ) sin sin ( )

3

4

( ) sin sin ( )

3 3 t n t n t n U n

u t n t

n

U n

u t n t

n

U n

u t n t

n π ω π π ω π π π ω π π ∞ = ∞ = ∞ = = = − = + ∑ ∑ ∑

Aùp tải chứa thành phần hài bậc lẻ (n = 1, 3, )û

(157)

Ví duï 5.8:

Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển kiểu bước (six-step) Tải trở ba pha đối xứng đấu thành dạng

Độ lớn điện trở pha R = 10Ω

Tần số làm việc nghịch lưu áp f= 50Hz

Điện áp nguồn chiều U = 220V a Xác định trị hiệu dụng điện áp ;

b Viết phương trình sóng hài bậc điện áp tải dòng tải ; c Tính công suất tải ;

d Tính hệ số biến dạng áp

(158)

Giaûi:

a Trị hiệu dụng áp pha:

] V [ 7 , 103 220 . 3 2 U . 3 2

Ut = = =

b Biên độ sóng hài bậc áp: (1)

4

sin 0,6366 0,6366.220 140[ ]

3

t m

U U

U π U V

π π

= = = = =

Phương trình sóng hài bậc áp taûi - pha A uAt(1) = 140.sin(314t)

(159)

Điều khiển kiểu bước (six-step) c Vì tải trở nên công suất tải cho hệ thức :

] W [ 1 , 3226 10 7 , 103 . 3 R U . 3

Pt = t2 = 2 =

d Hệ số méo dạng áp ra:

( ) 0,312

2 140 2 140 7 , 103 U U U THD 2 1 2 2 ) 1 ( t 2 1 2 ) 1 ( t 2 t U = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = − =

e Trị trung bình dòng điện ngõ vào nghịch lưu :

] A [ 664 , 14 220 1 , 3226 U P

IC = t = =

Các diode đối song với transistor không dẫn điện

(160)

(161)

(162)

Gọi mf tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) : e tria reference carrier f f f f f m sin = = Tăng mf Ỉ tăng giá trị tần số sóng hài Ỉ dễ lọc sóng hài

Điểm bất lợi việc tăng tần số sóng mang vấn đề tổn hao đóng ngắt lớn Tương tự, gọi ma tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) :

tri m e m carrier m reference m a U U U U m − − − − = = sin

Nếu ma ≤ 1(biên độ sóng sin nhỏ biên độ sóng mang)

(163)

Ví dụ 5.10

Bộ nghịch lưu áp pha điều khiển theo phương pháp điều rộng xung Sóng mang tam giác up có tần số fp = 500Hz, biên độ thay đổi (12V,+12V),

Điện áp điều khiển xoay chiều udk dạng sin, tần số fdk = 50 Hz

Nguồn áp chiều U = 100V

Tính biên độ sóng hài áp udk có biên độ UdkM 1V,5V,10V,12V

Giải:

Biên độ thành phần điện áp hài áp tải tính theo hệ thức :

(1)

2

t m a U U =m

UdkM[V] ma Ut(1)M[V]

1 0.083 8,33

5 0,4166 41,66

10 0,8334 83,34

Định dạng
Số trang	163
Dung lượng	6,03 MB