Giáo trình điện tử công suất chương chỉnh lưu thyristortiep

2.9.2 Điều khiển BBĐ đảo chiều theo phương pháp phối hợp tuyến tính Đây phương pháp điều khiển BBĐ có đảo chiều, thực phương pháp điều khiển người ta thực truyền tín hiệu điều khiển đến hai sơ đồ chỉnh lưu với quan hệ góc điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu là: α1+ α2=1800 Trong trường hợp điện áp chỉnh lưu trung bình sơ đồ chỉnh lưu phụ tải với giả thiết chế độ dòng liên tục bỏ qua tổn thất là: Ud1=Ud0.cosα1 ; Ud2=Ud0.cosα2= Ud0.cos(1800- α1)=- Ud0.cosα1 Ud= Ud1=- Ud2=Ud0.cosα1 Hình 2.39 Như ta thấy thành phần chiều điện áp đầu hai sơ đồ chỉnh lưu cân nên chúng không gây nên thành phần dòng điện khép vòng qua van hai sơ đồ chỉnh lưu Tuy thấy hai sơ đồ chỉnh lưu đồng thời làm việc (tuy góc điều khiển khác nhau) giá trị tức thới điện áp đầu hai sơ đồ (lấy trước cuộn kháng cân bằng) thường không nhau, điều tạo nên chênh lệch điện chúng tác động thuận chiều dẫn dòng van hai sơ đồ chỉnh lưu gây nên dòng điện khép vòng qua van pha nguồn cung cấp xoay chiều mà không qua tải BBĐ, nóđược gọi dịng cân 1 Do tổng trở nguồn nhỏ nên giá trị dòng điện lớn làm hỏng van phá huỷ chế độ làm việc BBĐ, ta cần phải có biện pháp hạn chế dịng điện cân Như biết, thành phần chiều dịng cân khơng có , dịng cân có thành phần xoay chiều nên ta sử dụng điện cảm để hạn chế (đặc điểm điện cảm hạn chế dòng điện xoay chiều lại cho thành phần dòng chiều qua dễ dàng khơng gây nên tổn thất cơng suất tác dụng) Trong sơ đồ hình 2.38 hai cuộn CB CB2 dùng để hạn chế dịng cân nhóm van katơt chung thuận nhóm van anơt chung ngược, cịn CB CB4 hạn chế dịng cân qua hai nhóm lại Khi giả thiết dòng qua sơ đồ chỉnh lưu chế độ liên tục ta có đồ thị điện áp dịng điện cân hai trường hợp góc điều khiển khác hình 2.39 Ta thấy điện áp cân phụ thuộc nhiều vào giá trị góc điều khiển sơ đồ chỉnh lưu Khi góc điều khiển sơ đồthay đổi khoảng từ 0 600 điện áp cân đập mạch lần chu kỳ nguồn, cịn góc điều khiển sơ đồ nằm vùng từ >600 đến 900 điện áp cân đập mạch lần chu kỳ nguồn xoay chiều Biểu thức điện áp cân uCB1 xác định sau: Khi 600≥α1≥00 uCB1=-Umd.sinωt Khi 900≥α1>600 uCB1=-Umd.sinωt với (2π/3-α1) ≥ωt ≥ (-2π/3+α1) uCB1= -Umd.sin(ωt-π/3) với (2π/3-α1) 0 |Ed|>|Ud| nên dòng từ tải khép qua chỉnh lưu ngược nguồn khơng có dịng từ nguồn qua chỉnh lưu thuận sang tải (do giá trị s.đ.đ phụ tải lớn điện áp chỉnh lưu trung bình thuận mà van khơng cho dịng ngược chiều), qua thuận 3 có dịng cân xoay chiều mà khơng có dịng tải , tức chỉnh lưu thuận chưa làm việc chế độ chỉnh lưuvà người ta nói chỉnh lưu thuận làm việc chế độ chờ chỉnh lưu Khi sử dụng phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính làm xuất dịng điện cân làm ta phải tăng kích thước BBĐ (do có cuộn kháng cân bằng), tăng cơng suất tính tốn máy biến áp để bù tổn thất dòng cân Tuy phương pháp điều khiển hay sử dụng có độ tác động nhanh cao nhất, quan hệ góc điều khiển điện áp chỉnh lưu trung bình đơn trị Giá trị điện cảm cuộn kháng cân chọn cho trường hợp xấu giá trị trung bình dịng cân khơng vượt q 10% dịng tải định mức theo tính tốn Với mục đích đảm bảo việc hạn tốt thành phần dịng cân xoay chiều mà khơng cần tăng điện cảm cuộn kháng cân người ta sử dụng phương pháp điều khiển phối hợp phi tuyến,trong trường hợp ta có: α1+ α2=1800+2θ Với việc tăng giá trị θ giá trị trung bình dịng cân giảm mạnh, nhiên phương pháp dùng tạo nên khoảng giá trị góc điều khiển α điện áp tải có hai giá trị khác nhau, thời gian ngừng dòng đảo chiều lớn, làm xấu tiêu chất lượng động tải có s.đ.đ tải có điện cảm lớn 2.9.3 BBĐ đảo chiều điều khiển riêng Đây phương pháp điều khiển BBĐ có đảo chiều dịng sử dụng phổ biến thực tế Nội dung phương pháp điều khiển ta cho chỉnh lưu thuận ngược làm việc riêng rẽ: Khi cần có dòng qua tải theo chiều thuận ta cho chỉnh lưu thuận làm việc cách truyền tín hiệu điều khiển đến van nó, cịn chỉnh lưu ngược khơng cấp xung điều khiển khơng làm việc Khi cần dòng điện tải theo chiều ngược ta lại cấp xung điều khiển cho chỉnh lưu ngược để làm việc cắt xung chỉnh lưu thuận để khơng làm việc Như BBĐ đảo chiều làm việc có hai sơ đồ chỉnh lưu cấp tín hiệu điều khiển 4 làm việc sơ đồ nghỉ hồn tồn nên khơng có dịng cân qua hai chỉnh lưu, ưu điểm phương pháp điều khiển này, cho phép ta dùng cuộn kháng cân Nhưng để khơng xuất dịng cân mà ta phải đảm bảo điều kiện chỉnh lưu làm việc giai đoạn trước khoá cách chắn phép truyền xung điều khiển đến chỉnh lưu khác cần đảo dòng tải Điều xuất khoảng ngừng dòng đảo chiều mà thời gian ngừng ngắn phải cỡ vài ms , hạn chế độ tác động nhanh BBĐ BBĐ đảo chiều điều khiển riêng có đặc tính ngồi tương tự BBĐ khơng đảo chiều , đặc trưng vùng dịng gián đoạn lớn nhiều so với việc điều khiển phối hợp tuyến tính Các BBĐ đảo chiều điều khiển riêng sử dụng tốt hợp có điều chỉnh đặc biệt, điều chỉnh thay đổi tham số BBĐ ứng dụng thiết bị chuyển mạch nhanh xác để giảm thời gian ngừng dòng đảo chiều Hiện người ta thường sử dụng thiết bị chuyển mạch dụng cụ lôgic bán dẫn vi điện tử có độ xác cao kết hợp với thiết bị đo lường với độ nhạy cao nên thời gian ngừng dòng đảo được giảm đến mức nhỏ 2.10 MẠCH ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU 2.10.1 Khái niệm chung mạch điều khiển sơ đồ chỉnh lưu a Khái niệm chung Phần trước nghiên cứu hoạt động sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu có điều khiển Như biết, để van chỉnh lưu mở thời điểm mong muốn ngồi điều kiện thời điểm van phải có điện áp thuận điện cực điều khiển katơt van phải có điện áp điều khiển (mà ta thường gọi tín hiệu điều khiển) Để có hệ thống tín hiệu điều khiển xuất theo yêu cầu mở van nêu người ta phải sử dụng mạch điện tạo tín hiệu Mạch điện dùng để tạo tín hiệu điều khiển gọi mạch điều khiển hay gọi hệ thống điều khiển chỉnh lưu Điện áp điều khiển thyristor phải đáp ứng yêu cầu cần thiết công suất, biên độ thời gian tồn Các thông số cần thiết tín hiệu điều khiển cho sẵn tài liệu tra cứu van Do đặc điểm thyristor van mở việc cịn tín hiệu điều khiển hay khơng khơng ảnh hưởng đến dịng 5 qua van, để hạn chế cơng suất mạch phát tín hiệu điều khiển giảm tổn thất vùng điện cực điều khiển người thường tạo tín hiệu điều khiển thyristor có dạng xung, mạch điều khiển cịn gọi mạch phát xung điều khiển Các xung điều khiển tính tốn độ dài xung cho đủ thời gian cần thiết (với độ dự trữ định) để mở van với loại phụ tải có sơ đồ làm việc Thơng thường độ dài xung nằm giới hạn từ 200 µs đến 600 µs Các hệ thống phát xung điều khiển chỉnh lưu sử dụng phân làm nhóm: - Nhóm hệ thống điều khiển đồng bộ: Đây nhóm hệ thống điều khiển mà xung điều khiển xuất điện cực điều khiển thyristor thời điểm cần mở van lặp lặp mang tính chu kỳ với chu kỳ thường chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu (trong vài trường hợp chu kỳ xung 1/2 chu kỳ điện áp nguồn) Nhóm hệ thống điều khiển sử dụng phổ biến Trong chương trình mơn học ta vào nghiên cứu hệ thống điều khiển thuộc nhóm - Nhóm hệ thống điều khiển khơng đồng bộ: Các hệ thống điều khiển thuộc nhóm tạo xung điều khiển khơng tn theo giá trị góc điều khiển nêu phần trước Các hệ thống điều khiển phát chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao nhiều tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu trình làm việc tần số xung tự động thay đổi để đảm bảo cho đại lượng đầu , ví dụ Ud hay Id không thay đổi Để đạt điều người ta thực khống chế tần số xung điều khiển theo sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực tế đại lượng cần ổn định Như hệ thống phát xung loại buộc phải thực dạng hệ thống có phản hồi, tức hệ thống kín Các hệ thống điều khiển tương đối phức tạp ta không xét Các hệ thống điều khiển đồng thường sử dụng bao gồm: * Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng * Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang * Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt hai cực gốc (transitor tiếp giáp) 6 2.10.2.Hệ thống điều khiển pha đứng Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng Khi nghiên cứu mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng người ta thấy phân chia mạch điện hệ thống làm khối có chức khác sơ đồ hình 2.41 Trong gồm: - Khối 1: Khối đồng hố phát điện áp cưa (ĐBH-FSRC) - Khối 2: Khối so sánh (SS) - Khối 3: Khối tạo xung (TX) Khối ul ĐBH FSRC urc Khối SS Khối TX uđkT uđk Hình 2.41 - ul điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu - urc : điện áp tựa thường có dạng hình cưa lấy từ đầu khối ĐBH-FSRC - uđk: điện áp điều khiển, điện áp chiều đưa từ vào dùng để điều khiển giá trị góc α - uđkT : điện áp điều khiển thyristor, chuỗi xung điều khiển lấy từ đầu hệ thống điều khiển (cũng đầu khối TX) truyền đến điện cực điều khiển (G) katôt (K) thyristor Nguyên lý hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng tóm tắt sau: Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu đưa đến mạch đồng hoá khối đầu mạch đồng ta có điện áp thường có dạng hình sin với tần số tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu trùng pha lệch góc pha xác định so với điện áp nguồn Điện áp gọi điện áp đồng ký hiệu uđb Các điện áp đồng đưa vào mạch phát điện áp cưa để khống chế làm việc mạch điện này, kết đầu mạch phát điện áp cưa ta có hệ thống điện áp dạng hình cưa đồng tần số góc pha với 7 điện đồng Các điện gọi điện áp cưa u rc Các điện áp cưa đưa vào đầu vào khối SS cịn có tín hiệu khác điện áp điều khiển chiều điều chỉnh đưa từ vào, hai tín hiệu mắc với cực tính cho tác động chúng lên mạch vào khối SS ngược chiều Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu thời điểm hai tín hiệu có giá trị tuyệt đối đầu khối SS thay đổi trạng thái Như khối SS mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số Do tín hiệu mạch SS dạng tín hiệu số nên có hai giá trị có khơng Tín hiệu đầu khối SS xung xuất với chu kỳ chu kỳ u rc, thời điểm bắt đầu xuất xung nằm vùng sườn xung urc sườn xung urc gọi sườn sử dụng Điều có nghĩa rằng: Tại thời điểm |u rc| = |uđk| phần sườn sử dụng chu kỳ điện áp cưa đầu khối SS bắt đầu xuất xung điện áp Từ ta thấy: thay đổi thời điểm xuất xung đầu khối SS cách thay đổi giá trị uđk giữ nguyên dạng urc Trong số trường hợp xung từ khối SS đưa đến điện cực điều khiển tiristor, đa số trường hợp tín hiệu khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết tín hiệu điều khiển tiristor Để có tín hiệu đủ u cầu người ta thực việc khuếch đại, thay đổi lại hình dạng xung, v.v Các nhiệm vụ thực mạch điện gọi mạch tạo xung (TX), cuối đầu khối TX ta có chuỗi xung điều khiển (uđkT) có đủ thơng số yêu cầu công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu xung, v.v , thời điểm bắt đầu xuất xung hồn tồn trùng với thời điểm xuất xung đầu khối SS Vậy thời điểm xuất tín hiệu điều khiển điện cực điều khiển katơt tiristor thời điểm xuất xung đầu khối so sánh, tức khối SS đóng vai trị xác định giá tri góc điều khiển α Như nêu trên, ta thay đổi thời điểm xuất xung khối SS cách thay đổi giá trị u đk Vậy điều khiển giá trị điện áp điều khiển uđk ta điều khiển giá trị góc điều khiển α Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu sơ đồ tia nhiều pha ta có nhiều tiristor Để tạo nhiều tín hiệu điều khiển cho nhiều van hệ thống điều khiển có phương pháp: 8 -Sử dụng nhiều mạch phát xung giống hệt nhau, mạch có khối giống chúng khác tín hiệu điện áp lưới (khác pha) đặt vào mạch đồng Mỗi mạch phát xung dùmg để tạo xung điều khiển cho van số van mắc nối tiếp song song Mạch điều khiển loại gọi mạch (hệ thống) nhiều kênh (mỗi mạch phát xung cho van gọi kênh điều khiển) -Người ta sử dụng chung mạch đồng bộ, mạch tạo điện áp cưa, khối so sánh, xung đầu khối SS thường có tần số gấp n lần tần số nguồn (n q) Lúc để có n (hay q) kênh xung khác có tần số tần số nguồn khối TX phải có thêm mạch điện làm nhiệm vụ phân chia xung Mạch điều khiển loại gọi mạch điều khiển kênh (chỉ có khối so sánh) Loại mạch điều khiển phức tạp nhiều so với loại nhiều kênh xung điều khiển van có độ đối xứng cao nhiều nên thường sử dụng, có yêu cầu cao chất lượng chỉnh lưu Sau ta xét chi tiết phần mạch điện hệ thống điều khiển Ta giả thiết hệ thống điều khiển nhiều kênh cần xét kênh, kênh lại tương tự 2.10.2.1 Khối đồng hố phát sóng cưa Để tạo hệ thống xung xuất lặp lặp lại với chu kỳ chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu điều khiển thời điểm xuất chúng chu kỳ nghiên cứu rằng: tốt sử dụng mạch phát xung mà tín hiệu điều khiển tín hiệu biến đổi cách chu kỳ với chu kỳ tín hiệu dạng tốt hình cưa Vì mà cần phải có mạch điện để tạo điện áp cưa gọi mạch phát sóng cưa (FSRC) Mặt khác, kỹ thuật điện-điện tử để có điện áp dạng cưa có tần số thời điểm đầu xung cưa phù hợp với tần số góc pha nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu tốt sử dụng sơ đồ tạo điện áp cưa điều khiển điện áp biến thiên tần số Dạng điện áp điều khiển mạch tạo điện áp cưa Để có điện áp người ta sử dụng mạch điện gọi mạch đồng hoá (gọi tắt mạch đồng bộ) điện áp mạch đồng gọi điện áp đồng , ký hiệu uđb 9 a Mạch đồng hoá Để tạo điện áp đồng đảm bảo yêu cầu đặt người ta thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản: R1 ul R2 uđb Hình 2.42 - Mạch phân áp điện trở điện trở kết hợp điện dung hay điện cảm: Trong mạch đồng điện áp đầu vào điện áp lưới điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp điện áp xoay chiều hình sin tần số trùng lệch góc pha xác định Kiểu mạch đồng sử dụng có liên hệ trực tiếp điện mạch động lực mạch điều khiển chỉnh lưu - Mạch đồng dùng máy biến áp: Trong trường hợp người ta sử dụng máy biến áp công suất nhỏ thường máy biến áp hạ áp để tạo điện áp đồng Điện áp lưới ul đặt vào cuộn sơ cấp bên thứ cấp ta lấy điện áp đồng u đb Máy biến áp để tạo điện áp đồng gọi máy biến áp đồng ký hiệu BAĐ, loại pha nhiều pha tuỳ theo sơ đồ chỉnh lưu cụ thể ul ** A uđb B C BAĐ * * * * * * uđba uđbb uđbc BAĐ Hình 2.43 b Mạch phát sóng cưa • Sơ đồ mạch phát sóng cưa dùng điôt, điện trở, tụ điện (mạch D-R-C) * Giới thiệu sơ đồ: Mạch đồng 10 ul ** BAĐ uđb D uc C R urc 10 2.10.3.2 Mạch phát xung dùng điôt cực gốc Sơ đồ mạch phát xung đơn giản dùng điôt cực gốc hình 2.65a đồ thị minh hoạ làm việc sơ đồ cho hình 2.65b Ta có nguyên lý làm việc sơ đồ sau: Giả thiết t=0 bắt đầu đóng nguồn U cc (trước uc=0) điốt cực gốc cấp điện áp định thiên, đồng thời tụ C nạp điện U cc qua điện trở R Điện áp tụ C tăng dần theo biểu thức: u c=(1-e-t/R.C).Ucc , mà điện áp C đặt vào cực phát gốc B1 qua R1, uc đóng vai trị nguồn uE , nên uc đạt đến giá trị UEmax D (điơt cực gốc) mở tụ C phóng điện qua mạch cực phát E cực gốc B 1,qua R1 Do D mở nên điện áp uEB1 nhỏ, lúc R1 ta có xung điện áp ura=ucuEB1≈uc Khi điện áp tụ giảm xuống u Emin D khố lại , điện áp (u ra=0) tụ C lại nạp Quá trình diễn lặp lặp lại mang tính chất chu kỳ với thời gian chu kỳ : Tck ≈R.C.ln[1/(1-η)] Để sơ đồ tự dao động phải đảm bảo điều kiện: Rmin < R < Rmax Trong đó: R min=(Ucc-UEmin)/IEmin Rmax=(Ucc-UEmax)/IE1, với IE1 giá trị dòng cực phát tương ứng với điểm C đặc tính V-A điơt, thường từ 0,5 đến 20 µA u + R2 R C - ura t1' t2 t2' t3 Tck t t1 a 41 t1 t ura uc R1 uc D Ucc UEmax UEmin Hình 2.65 t2 t1' t2' t3 b 41 Nhận xét: Mạch phát xung tương đối đơn giản , xung số trường hợp đủ để mở tiristor công suất nhỏ Tuy với sơ đồ vừa xét chưa thể áp dụng để điều khiển chỉnh lưu tần số xung phụ thuộc vào thông số linh kiện sơ đồ, thời điểm xuất xung phụ thuộc vào thời điểm đóng nguồn cung cấp cho mạch phát xung Cũng từ nhận xét ta thấy cung cấp cho sơ đồ nguồn điện áp dạng xung mà tốt xung nguồn hình chữ nhật với tần số tần số nguồn cung cấp cho chỉnh lưu thời điểm đầu xung nguồn trùng lệch góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên van điều khiển từ mạch phát xung thời điểm xuất xung chu kỳ xung nguồn (cũng chu kỳ nguồn cung cấp cho chỉnh lưu) lệch góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên van chỉnh lưu thay đổi góc lệch cách thay đổi thơng số sơ đồ dịng nạp tụ Trong thực tế để tạo xung nguồn dạng chữ nhật nêu tương đối phức tạp, người ta tạo xung nguồn gần dạng hình thang cách dễ dàng (sơ đồ sau), dạng nguồn sử dụng 2.10.3.3 Mạch phát xung điều khiển thyristor sơ đồ chỉnh lưu dùng điơt cực gốc Ta có sơ đồ mạch phát xung hình 2.66 Trong : * * u1 R1 D2 u2 uD1 D2 - uđk + Tr R3 uD2 UJT R2 BAX D4 BA Hình 66 uc C uđkT D3 * * 42 42 - D1 điôt chỉnh lưu để biến điện áp xoay chiều hình sin u thành điện áp chiều dạng nửa sóng hình sin - Điện trở hạn chế R1 kết hợp với điôt ổn áp D2 mạch ổn định điện áp Do điện áp vào mạch ổn áp có dạng nửa sóng hình sin phần dương nên : giai đoạn đầu cuối xung điện áp uD1 uD1π/2, cịn α2=π/2-∆α