Giáo trình điện tử công suất chương 2 chỉnh lưu điều khiển

CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN (Bộ biến đổi xoay chiều – chiều sử dụng thyristor) MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Cung cấp cho sinh viên kiến thức chỉnh lưu sử dụng thyristor với phụ tải khác nhau, từ vẽ dạng sóng đầu chỉnh lưu, biết cách tính tốn thơng số tính chọn van sơ đồ chỉnh lưu 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG Trong kỹ thuật điện nhiều trường hợp yêu cầu phải biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành điện áp chiều điều chỉnh giá trị điện áp chiều đầu ra.Để thực việc người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ dùng tổ hợp động - máy phát, dùng biến đổi phần ứng, dùng chỉnh lưu,.v.v Nhưng phổ biến có hiệu suất cao sử dụng sơ đồ chỉnh lưu dụng cụ bán dẫn.Các sơ đồ chỉnh lưu(các biến đổi xoay chiều-một chiều) biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng chiều dụng cụ điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều cách trực tiếp Hiện dụng cụ điện tử khơng cịn sử dụng sơ đồ chỉnh lưu kích thước lớn, hiệu suất thấp Dụng cụ sử dụng chủ yếu sơ đồ chỉnh lưu thyristor điốt bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ dùng để điều chỉnh tốc độ động chiều; cung cấp điện áp chiều cho thiết bị mạ điện, điện phân; cung cấp điện áp chiều cho thiết bị điều khiển, đèn phát trung tần cao tần, v.v Các sơ đồ chỉnh lưu sử dụng từ công suất nhỏ đến công suất lớn 1 2.2 SƠ ĐỒ NỐI DÂY VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 2.2.1 Sơ đồ nối dây Có hai loại sơ đồ nối dây chỉnh lưu : Sơ đồ nối dây hình tia sơ đồ nối dây hình cầu 2.2.1.1 Sơ đồ nối dây hình tia Hình 2.1 sơ đồ chỉnh lưu hình tia tổng quát Hình 2.1a sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối katot chung, cịn hình 2.1b sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối anot chung Trong sơ đồ này: - u1, u2, , um hệ thống điện áp xoay chiều (thường hình sin) m pha - T1, T2, , Tm m van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor), sơ đồ chỉnh lưu khơng điều khiển van điơt - Ld , Rd,, Ed điện trở, điện cảm, s.đ.đ phụ tải chiều - ud , id điện áp dòng điện chỉnh lưu tức thời phụ tải chiều, chiều qui ước id lấy trùng với chiều thực dòng qua tải, chiều qui ước u d lấy trùng với chiều qui ước dịng tải id - Điểm O trung tính nguồn xoay chiều u1 u2 O id um u1 u2 um O id Rd T1 T2 Tm ud Rd T2 T1 Tm ud Ld K Ld Ed Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối katot chung A Ed (b)Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối anot chung Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha Đặc điểm chung sơ đồ chỉnh lưu hình tia là: - Số van chỉnh lưu số pha nguồn xoay chiều 2 - Các van có điện cực tên nối chung, điện cực lại nối với nguồn xoay chiều Nếu điện cực nối chung katơt sơ đồ gọi sơ đồ katơt chung, cịn điện cực nối chung anơt ta có sơ đồ anơt chung Điểm nối chung van hai điện cực điện áp chỉnh lưu Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính nguồn điện cực cịn lại điện áp chỉnh lưu 2.2.1.2 Sơ đồ nối dây hình cầu Hình 2.2 sơ đồ chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu Hình 2.2 sơ đồ dạng tổng quát với số pha m ≥ Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha Các phần tử sơ đồ : - u1, u2, , um hệ thống điện áp xoay chiều (thường hình sin) m pha, u điện áp xoay chiều pha - T1, T2, , T2m van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor) - Rd , Ld , Ed điện trở, điện cảm , s.đ.đ phụ tải (Ed gọi s.đ.đ ngược hay sức phản điện động) - ud, id điện áp dòng tải tức thời, qui ước chiều giống sơ đồ hình tia Các đặc điểm chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha: 3 - Số van chỉnh lưu sơ đồ lần số pha, có m van có katơt nối chung gọi nhóm van katơt chung sơ đồ ta ký hiệu số lẻ, m van cịn lại có anơt nối chung nên gọi nhóm van anơt chung sơ đồ ta ký hiệu số chẵn - Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với van, nhóm katơt chung nhóm anơt chung - Điểm nối chung van nhóm katơt chung (K), nhóm van anôt chung (A) điện cực điện áp 2.2.2 Nguyên lý làm việc 2.2.2.1 Nguyên lý làm việc sơ đồ chỉnh lưu hình tia a Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lý làm việc sơ đồ chỉnh lưu, trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiển nghiên cứu loại sơ đồ van nối katơt chung ( hình2.1a) Trong sơ đồ ta thay thyristor sơ đồ hình 2.1a điơt từ D1 đến Dm Hình 2.3a: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha khơng điều khiển Qua nghiên cứu người ta nhận thấy rằng: Ở chế độ dòng qua tải liên tục bỏ qua trình chuyển mạch thời điểm chỉnh lưu làm việc sơ đồ ln có van dẫn dịng, van nối với pha có điện áp dương Mặt khác biết với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thời gian chu kỳ nguồn pha dương khoảng thời gian 1/m chu kỳ, mà van sơ đồ dẫn dòng khoảng 1/m chu kỳ thời gian chu kỳ nguồn 4 Ta giả thiết sụt điện áp điơt tiristor mở (dẫn dịng) khơng Như thời điểm mà điện áp van không có xu hướng chuyển sang dương thời điểm van (điôt) bắt đầu mở, thời điểm mà điôt sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở gọi thời điểm mở tự nhiên van sơ đồ chỉnh lưu Thời điểm mở tự nhiên van sơ đồ chỉnh lưu van nối katôt chung chậm sau thời điểm điện áp pha nối van không bắt đầu chuyển sang dương góc độ điện ψ0, với ψ0 xác định sau: (2.1) Mỗi điôt sơ đồ bắt đầu mở thời điểm mở tự nhiên khoá thời điểm mở tự nhiên van Điện áp chỉnh lưu lặp lại m lần giống chu kỳ nguồn xoay chiều Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối anôt chung, sơ đồ làm việc chế độ dịng liên tục bỏ qua chuyển mạch thời điểm sơ đồ có van mắc với pha có điện áp âm dẫn dòng Thời điểm mở tự nhiên đối van sơ đồ chậm sau thời điểm điện áp pha mắc với van không bắt đầu chuyển sang âm góc độ điện ψ0 b Trường hợp chỉnh lưu có điều khiển Trong trường hợp van chỉnh lưu thyristor (T 1,T2, ,Tm) Như biết, để thyristor chuyển từ trạng thái khố sang trạng mở cần phải có đủ hai điều kiện : - Điện áp anơt katơt phải dương (thuận) - Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển katơt van (nói tắt có tín hiệu điều khiển) 5 Hìn 2.3b: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha có điều khiển Do đặc điểm vừa nêu mà sơ đồ ta điều khiển thời điểm mở van giới hạn định Cụ thể là:trong khoảng thời gian van có điều kiện mở thứ có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên van sau thời điểm nửa chu kỳ), ta cần mở van thời điểm ta truyền tín hiệu điều khiển đến van thời điểm điều thực với tất van sơ đồ Như ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên góc độ điện α tất van sơ đồ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên góc độ điện α đường cong điện áp chỉnh lưu phụ tải chiều khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển (các van mở thời điểm mở tự nhiên van), giá trị trung bình (thành phần chiều) điện áp chỉnh lưu thay đổi Mặt khác thay đổi giá trị α dạng gía trị trung bình điện áp chỉnh lưu thay đổi theo Vậy ta thay đổi thành phần chiều điện áp tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức thay đổi giá trị góc α Trong sơ đồ chỉnh lưu giá trị góc mở chậm van α gọi góc điều khiển sơ đồ chỉnh lưu Từ điều kiện mở van nêu ta thấy rằng:muốn van mở có tín hiệu điều khiển thời điểm truyền tín hiệu điều khiển đến van phải nằm khoảng điện áp van thuận,có nghĩa rằng: 1800 > α ≥ 00 Trường hợp sơ đồ làm việc với α = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Sự làm việc sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối anơt chung hồn toàn tương tự, khác thời điểm mở tự nhiên van sơ đồ xác định khác với sơ đồ van nối katôt chung 6 2.2.2.2 Nguyên lý làm việc sơ đồ cầu a Trường hợp sơ đồ không điều khiển Từ kết cấu sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ta có nhận xét: Để có dịng qua phụ tải sơ đồ phải có van dẫn dịng, van nhóm katơt chung cịn van nhóm anơt chung Vậy, với giả thiết sơ đồ làm việc chế độ dòng liên tục bỏ qua trình chuyển mạch chỉnh lưu cầu m pha làm việc, thời điểm sơ đồ ln có van dẫn dịng: van nhóm katơt chung nối với pha có điện áp dương van nhóm anơt chung nối với pha có điện áp âm Thời điểm mở tự nhiên đối van nhóm katôt chung xác định giống van sơ đồ chỉnh lưu hình tia số pha van nối katơt chung, cịn thời điểm mở tự nhiên van nhóm anơt chung xác định van sơ đồ chỉnh lưu hình tia số pha van nối anôt chung Với đặc điểm làm việc sơ đồ chỉnh lưu hình cầu người ta nhận thấy rằng: Trong chu kỳ nguồn xoay chiều van dẫn dòng khoảng thời gian 1/m chu kỳ sơ đồ hình tia, chuyển mạch dịng từ van sang van khác diễn với van nhóm độc lập với nhóm van kia; chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q=2m m lẻ q=m m chẵn b Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển 7 Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha có điều khiển Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu phụ tải chiều người ta thực việc điều khiển cho van sơ đồ mở chậm thời điểm mở tự nhiên góc độ điện α nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống sơ đồ hình tia.Giới hạn thay đổi lớn góc điều khiển α từ 00 đến 1800 2.3 DÒNG VÀ ÁP TRÊN PHỤ TẢI MỘT CHIỀU 2.3.1 Dòng điện chỉnh lưu phụ tải chiều Từ mục ta thấy dạng đường cong điện áp chỉnh lưu lặp lặp lại q lần chu kỳ nguồn xoay chiều, chế độ xác lập dịng qua tải lặp lặp lại q lần (với q = m sơ chỉnh lưu hình tia sơ đồ cầu có số pha m chẵn, q=2m sơ đồ chỉnh lưu hình cầu với số pha m lẻ) Qua thấy để biết dòng áp tải chế độ xác lập ta c hỉ cần biết dòng áp tải khoảng thời gian lần lặp lại (bằng 1/m chu kỳ hay qui góc độ điện 2π/q) Để xác định dịng áp tải ta dựa vào sơ đồ thay chỉnh lưu khoảng làm việc van hình 2.5 Trong sơ đồ thay ta có: u tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động mạch vòng nối với van dẫn dịng Hình 2.5: Sơ đồ thay tương đương chỉnh lưulàm việc nên u sơ đồ giai đoạn xét,trong sơ đồ hình tia thời điểm có van điện pha, với sơ cầu thời điểm có van mắc với hai pha khác làm việc nên u điện áp dây Nếu ta chọn mốc thời gian xét t=0 (ωt=0) thời điểm bắt đầu mở van sơ đồ thì: (2.2) Trong Um biên độ điện pha nguồn xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu hình tia biên độ điện áp dây sơ đồ chỉnh lưu chỉnh lưu hình cầu (V), ω tần số góc nguồn điện xoay chiều (rad), t thời gian xét (s) , ψ góc pha đầu xác định: 8 (2.3) Thyristor T đặc trưng van dẫn dòng, sơ đồ tia van cịn sơ đồ cầu có van dẫn dịng nối tiếp Ở T có ý nghĩa dòng sơ đồ phép theo chiều chiều thực dòng qua T, sụt điện áp T bỏ qua - Ed , Ld , Rd phần tử phụ tải - ud , id điện áp dịng điện tải Viết phương trình cân điện áp sơ đồ hình 2.5 ta có: (2.4) Để giải phương trình ta đặt: (2.5) ; ; Thế (2.5) vào (2.4) ta được: (2.6) Đây phương trình vi phân tuyến tính dịng tải dạng tương đối Giải phương trình với điều kiện đầu i*(ωt=0)=i*0 ta được: (2.7) Biểu thức (2.7) biểu thức tổng quát dùng để xác định dòng điện tương đối qua phụ tải chiều ( i* ), từ sử dụng (2.5) tìm i d Biểu thức xác định khoảng từ ωt = đến ωt = 2π/q Tuỳ thuộc vào đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà xẩy số chế độ làm việc khác : - Nếu toàn thời gian làm việc mà id > ta có chế độ dịng điện tải liên tục - Nếu chu kỳ làm việc mà dịng tải có q khoảng khơng q khoảng khác khơng ta có chế độ dịng điện tải gián đoạn 9 - Chế độ trung gian (giới hạn) chế độ nêu gọi chế độ dòng điện biên liên tục Chú ý: Khi dùng (2.7) tính i* có giá trị âm khoảng thời gian xét khoảng ta lấy i *=0, dòng điện mạch phép theo chiều nên khơng âm 2.3.1.1 Chế độ dịng tải gián đoạn Điều xẩy với tải điện trở α lớn sơ đồ pha sơ đồ pha, tải có L d hữu hạn mà Ed lớn α lớn, Khi đó, thời điểm ta bắt đầu mở van dịng qua tải không , tức i *0=0 Vậy biểu thức dòng tải dạng tương đối lúc là: (2.8) Khi nghiên cứu chỉnh lưu chế độ dòng điện gián đoạn người ta gọi khoảng thời gian tồn xung dịng tải qui góc độ điện góc dẫn van ký hiệu λ 2.3.1.2 Dòng điện tải phụ tải Rd - Ed (khi Ld = 0) Khi Ld = ta có: τ = nên e-t/τ = Vậy dòng tương đối tải: (2.9) 2.3.1.3 Dòng điện tải chế độ dòng biên liên tục Khi sơ đồ làm việc chế độ đường cong dịng điện có q điểm không chu kỳ nguồn xoay chiều Những điểm dịng tải khơng điểm bắt đầu mở van sơ đồ, trường hợp i *0=0 ta dùng biểu thức (2.8) để xác định dòng tải, nhiên trường hợp góc dẫn van λ = 2π/q Khi thay ωt=2π/q vào (2.8) cho i*=0 ta tìm giá trị giới hạn s.đ.đ để sơ đồ chuyển từ chế độ dòng gián đoạn sang liên tục ngược lại, ta có: (2.10) 10 10 Tại ωt=ν2=π+α T3 T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển,trên van có điện áp thuận nên T3 T4 mở Hai van T3, T4 mở nên sụt điện áp chúng giảm khơng ta có: ud= -u2 ; uT1=uT2=u2 ωt=ν2=π+α Hìnhthì 2.28u2 < , tức T1, T2 bị đặt điện áp ngược khoá lại Từ thời điểm (ωt=ν2) sơ đồ có van T 3, T4 dẫn dịng Khi van T3, T4 làm việc thì: ud= -u2; uT1= uT2= u2 ; iT1=iT2=0; uT3=uT4=0 ; iT3=iT4= id=Id ; Đến ωt=2π u2=0 bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương tác động ngược với chiều dòng qua T3 T4 , đồng thời T1 T2 lúc có điện áp thuận T T2 chưa mở chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự cảm sinh L d làm cho T3 T4 tiếp tục dẫn dịng Đến ωt=ν3=2π+α T1 T2 lại đồng thời có tín hiệu điều khiển T1 T2 lại làm , T3 T4 bị đặt điện áp ngược khoá lại Từ thời điểm sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc từ ωt=ν1=α Giai đoạn ωt=0 ÷ ν1 suy từ giai đoạn ωt=2π ÷ ν3 tính chất lặp lặp lại sơ đồ làm việc, ta thấy hồn tồn phù hợp với giả thiết ban đầu T T4 dẫn dịng Tóm tắt làm việc sơ đồ chu kỳ sau: + Từ ωt=0 ÷ ωt=ν1 từ ωt=ν2÷ωt=ν3 van T3 T4 dẫn dịng: ud= -u2; uT1= uT2= u2 ; iT1=iT2=0; + Từ ωt=ν1÷ωt=ν2 uT3=uT4=0 ; iT3=iT4= id=Id ; van T1 T2 dẫn dòng: ud=u2; uT1=uT2=0 ; iT1=iT2=id=Id ; uT3=uT4=-u2 ; iT3=iT4=0 ; Dòng điện cuộn dây thứ cấp sơ cấp xác định sau: i2=iT1-iT4=iT2-iT3 ; i1 = i2/ kba Đồ thị dòng áp số phần tử sơ đồ biểu diễn hình 2.28 52 52 2.8.5.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha có điơt khơng Sơ đồ ngun lý hình 2.29, sơ đồ khác với sơ đồ hình 2.27 sơ đồ có thêm van D0 Sơ đồ thực tế sử dụng có sơ đồ khác đơn giản mà có dạng điện áp chỉnh lưu hoàn toàn tương tự Nguyên lý hoạt động sơ đồ giống sơ đồ có D0 nói chung , cịn dạng điện áp chỉnh lưu tức thời giống sơ đồ hình tia pha có D0 , dạng dịng qua tiristor điôt không tương tự iT1 i1 BA u1 i2 iT3 T3 T1 Rd iDo u2 ud Ld D0 2.8.5.3 Các sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng điôt thyristor Ed iT2 iT4 (các sơ đồ bán điều khiển) T4 Hình 2.29 T2 id Khi nghiên cứu sơ đồ chỉnh lưu cầu pha người ta thấy có số sơ đồ cho dạng điện áp sơ đồ có điơt khơng có kết cấu gọn hơn, sơ đồ dùng van có điều khiển (thyristor) van không điều khiển (điôt).Tuỳ thuộc cách mắc van mà có kiểu sơ đồ khác • Sơ đồ thứ a- Sơ đồ nguyên lý (hình 2.30) iT1 i1 BA i2 T1 D1 Rd ud u1 u2 iT2 Hình 2.30 53 iD1 Ed iD2 T2 Ld D2 id 53 Trong sơ đồ hình 2.30 hai van có điều khiển mắc hai nhóm van khác anơt van nhóm katơt chung nối với katơt van nhóm anơt chung, hai van khơng điều khiển mắc tương tự b- Nguyên lý làm việc Cũng sơ đồ có điơt khơng, sơ đồ chỉnh lưu dùng hai điôt hai tiristor làm việc có hiệu có điện cảm lớn mạch tải.Do ta xét trường hợp phụ tải có Ld=∞ Đồ thị biểu diễn điện áp chỉnh lưu,dòng van, điện áp van dùng để minh hoạ cho làm việc sơ đồ cho hình 2.31 Ta giả thiếtrằng từ ωt=0 đếnωt0) nên đủ điều kiện để mở Van T1mở 2= khơng 3= nên tta có uD1=-u2