Tài liệu Chương 4: Chỉnh lưu điều khiển pha pptx

http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA Chương IV.1 CHỈNH LƯU DIOD ( KHÔNG ĐIỀU KHIỂN ): Các sơ đồ chỉnh lưu phân loại theo số xung áp Chỉnh lưu hai xung: Gồm sơ đồ cầu pha sơ đồ pha có điểm iS D2 a Hoạt động tải R: D1 v D4 D3 v o i o D1 i o e D2 v v o R R -e (a) (b) Hình 4.1.1 Sơ đồ cầu pha (a) sơ đồ pha có điểm (b) dạng sóng dòng, áp tải trở (c) (c) Gọi áp nguồn v = V sin(wt) < 4.1.1 > V: trị hiệu dụng áp nguôn Trị trung bình áp ra: 1 2π π 2 Vo = vo dt = vo dt = ∫ 2V sin wt ⋅ dwt = V < 4.1.2 > ∫T ∫0 T π π 2π Với tải trở: vo = io R => io = vo/R => Io = Vo/R < 4.1.3 > Để tìm áp ngược đặt lên diod, xét trường hợp D1 dẫn, D2 phân cực ngược áp lưới, áp ngược cực đại diod trị số đỉnh áp lưới V Sơ đồ hình 4.1.1(b) sử dụng biến áp có hai cuộn thứ cấp đảo pha, áp ngược đặt vào chỉnh lưu tăng gấp đôi Thật vậy, D1 dẫn, áp đặt vào D2 là: vD2 = − e − e = − e ( qui ước áp SCR hay Diod tính từ A qua K ) V R với V trị hiệu dụng áp nguồn Trị hiệu dụng dòng tải trị hiệu dụng IS dòng qua nguồn tải R Trị hiệu dụng dòng tải : I oR = 2π i dwt 2π o ∫ Công suất tiêu thụ tải R laø P = R.I oR = π i dwt π o ∫ = ∫( ) π v dwt π R = V2 = giống nối trực tiếp vào lưới điện, R tương ứng HSCS BBĐ Nếu ta tính công suất chiều PDC làm công suất hữu dụng, PDC = VO IO < P , điều giải thích dể dàng để ý giá trị trung bình VO bé giá trị hiệu dụng V b Hoạt động tải RL: Mạch điện khảo sát sơ đồ hình 4.1.1.a hay b với tải RL vị trí R Phương trình mạch lấy lại gốc toạ độ: Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Học kì năm học 2004-2005 I I Hình 4.1.1.d vo = v = 2V sin(wt ) = R.io + L di giaûi ra: io = 2V Z sin(wt − φ) + I 1e −t τ dt điều kiện đầu : iO(0) = I1 với φ = tg −1 ωL L vaø τ = R R Khi wt = π , dòng điện trở lại giá trị ban đầu I để lập lại xung dòng cho bán kỳ : io = 2V Z sin(π − φ) + I1e −π ωτ = I1 Giải phương trình này, ta I1 Như vậy, biểu thức cho dạng dòng io tương đối phức tạp, tích phân để tính trị trung bình dòng qua tải I o = π i dwt π o ∫ khó thực Trong thực tế, người ta thường tính giá trị trung bình dòng nguyên lý xếp chồng, Khi giả sử hệ thống tuyến tính, thành phần Fourier dòng tải tạo từ thành phần Fourier nguồn kích thích Trị trung bình dòng điện dòng điện qua tải tải cung cấp áp chiều trị trung bình áp (cũng thành phần chiều khai triển Fourier áp ra): IO = VO/R , có dạng L tác dụng thành phần chiều điện áp Ví dụ: Tính dòng qua mạch chỉnh lưu cầu diod tải R = 10 ohm, áp nguồn 12 V (hiệu dụng) Trị trung bình áp Vo = 12 ⋅ 2 π = 12 ⋅ 0.9 = 10.8 v , Trò trung bình dòng ra: I O = VO R = 10.8 / 10 = 1.08 A c Hoạt động tải RE: ( hình 4.1.1.e ) Ngược lại với tải RL có khuynh hướng kéo dài góc dẫn điện diod, tải có sức phản điện làm cho góc dẫn thu hẹp Thật vậy, từ sơ đồ mạch điện hình 3.1.f nhận xét diod dẫn điện áp nguồn lớn v sức phản điện E tải Góc δ để diod bắt đầu dẫn điện: Khi wt = δ v = E ⇔ E = 2V sin δ ⇒ δ = sin −1 E V ( ) Khi diod dẫn điện, vo = v = R.io + E ⇒ io = (v − E ) / R với v = 2V sin wt Dạng dòng phần có tô hình 4.1.1.f Khi iO = wt = π − δ tính đối xứng hình sin Khi diod tắt hay iO = , vO = E Từ hình 3.1.f biểu thức tính trung bình áp ra: Vo = δ+ π v dwt o π δ ∫ = Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha π ⎡ π−δ 2V sin wt.dwt + δ+ π E.dwt⎤ ∫π−δ ⎢ ∫δ ⎥ ⎣ ⎦ http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn D2 Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất o D1 v R v D3 o D4 E Hình 4.1.1 (e) (f) biểu thức tính trung bình dòng ra: I o = π i dwt π o ∫ = ∫ ( π−δ v− E R π δ ).dwt IO tính theo nguyên lý xếp chồng xét mạch tương đương mạch điện chiều: IO = (VO – E) /R Để tính toán công suất phát nhiệt điện trở R cần tính toán giá trị hiệu dụng IOR dòng ñieän iO: I OR = π i dwt π o ∫ = ∫ ( ) π−δ v− E dwt R π δ Chỉnh lưu ba xung: Sơ đồ hình tia ba pha: Trong sơ đồ tia pha hình 4.1.2.(a), diod nối chung catod, tải trở Dòng điện tải chạy từ lưới (nguồn), qua diod nguồn điện theo dây trung tính N Nguyên tắc phân tích mạch: Có thể nhận xét thời điểm, diod có điện áp anod cao dẫn đặt áp âm vào diod lại diod nối chung catod Ví du:ï wt = θ , vA > vC > vB => D1 daãn điện, D2 D3 bị đặt áp âm Hình 4.1.2.(b) trình bày dạng áp, dòng ngỏ ra; dạng dòng, áp diod D1 Góc dẫn diod 2π/3 Trị trung bình áp ra: 5π Vo = 2π π ∫ 2V sin wt ⋅ dwt = V 2π < 4.1.5 > AÙp ba pha: A v A = V sin ωt B D2 2π ) C 4π ) N D3 i o D1 vB = V sin( ωt − vC = V sin( ωt − < 4.1.4 > v o R (a) Hình 4.1.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha (a) dạng sóng tải trở (b) (b) Tương tự khảo sát sơ đồø hai xung, tải trở, dòng iO có dạng với áp vO, trị số trung bình IO tính theo < 4.1.3 >: IO = VO/R Áp ngược cực đại đặt vào diod biên độ áp dây V Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm Học kì năm học 2004-2005 http://www.ebook.edu.vn Sơ đồ tia ba pha có hai nhược điểm: phải sử dụng trung tính , dòng nguồn có thành phần chiều nên dùng công suất tải nhỏ so với nguồn điện Chỉnh lưu sáu xung: Khảo sát với tải R Các chỉnh lưu chia làm hai nhóm: nhóm + gồm D1, D2, D3, nhóm − gồm D4, D5, D6 Chỉnh lưu sáu xung có dòng, áp nhấp nhô lần chu kỳ, sử dụng lưới điện ba pha Có ba sơ đồ thường dùng: cầu ba pha, tia sáu pha sáu pha có kháng cân Ở lúc, dòng điện tải phải qua diod hai nhóm Cũng sơ đồ ba pha tia, nhận xét với nhóm +, diod có điện áp anod cao dẫn điện đặt áp âm vào diod lại; với nhóm − điện áp catod thấp Với thứ tự pha A −> B −> C −> A … , trình tự dẫn điện diod trình bày hình 4.1.4: D1 −> D6 −> D2 −> D4 −> D3 −> D5 −> D1 … Trên hình 4.1.3.(b) khảo sát dạng dòng áp chỉnh lưu cầu pha (hình 4.1.3.(a)), điện áp v+ v− hai đầu so với trung tính nguồn đường nét đậm, gồm phần dương âm áp ba pha, vO = (v+) − (v−) aùp : tương ứng với khoảng dẫn điện diod theo trình tự hình 3.4 Mỗi diod làm việc 2π / 3, hai nhóm lệch pha π nên có xung chu kỳ Và ứng với cặp diod làm việc, áp tải trùng với áp dây lưới điện a Sơ đồ cầu ba pha: io v+ D1 A D2 D3 v o B R C D4 (a) D5 D6 v- (b) Hình 4.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha (a) dạng sóng tải trở (b) D1 2π D6 π D2 D3 D4 D5 Hình 4.1.4: Thứ tự dẫn điện chỉnh lưu khoảng dẫn Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất Ví dụ D1, D6 dẫn điện, áp ra: vO = vA − vC = vAC D3, D5 dẫn điện, áp ra: vO = vC − vB =vCB Trị trung bình áp π π 6+3 Vo = ( v A − vB ) ⋅ dwt = V = 2.34 ⋅ V < 4.1.7 > π 2π π ∫ Áp ngược cực đại sơ đồ cầu giống trường hợp sơ đồ tia ba pha, nhóm + hay nhóm − hoạt động sơ đồ tia ba pha b Sơ đồ tia sáu pha: Có thể xem sơ đồ tia pha ba sơ đồ pha có điểm – lấy từ ba pha nguồn – nối chung ngỏ hình 4.1.5.(a) Biến áp ba pha hay ba biến áp pha, phía lưới điện nối Y hay Δ Trên hình 4.1.5.(a), cuôïn dây nối vào áp dây ba pha: vAB, vBC, vCA áp pha ngỏ tỉ lệ : vab, v-ab, vbc, v-bc, vca, v-ca , tạo thành pha tương tự khảo sát phần trước, chỉnh lưu nối chung catod, chỉnh lưu có điện áp anod cao dẫn điện Dạng áp dòng ngỏ vẽ ởû hình 4.1.5.(b) Áp nhấp nhô sáu lần chu kỳønhư sơ đồ cầu diod dẫn điện phần sáu chu kỳ, π / D5 Trị trung bình áp π π + 3 ( vab π Vo = 2π ∫ A ab D1 - ca i o D6 ) ⋅ dwt C - bc bc < 4.1.8 > V = 1.35 ⋅ V π Với áp pha thứ cấp pha ab laø : vab = V sin(wt ) < 4.1.9 > V = D2 D4 B ca - ab v o R D3 (a) hiệu dụng áp pha thứ cấp Để ý hai công thức < 4.1.7 > giống < 4.1.7 > ta dùng áp dây thay cho áp pha Có thể chứng minh áp ngược cực đại đặt vào chỉnh lưu hai lần áp pha thứ cấp So sánh điểm không (b) giống hai sơ đồ cầu ba pha Hình 4.1.5: Sơ đồ chỉnh lưu sáu pha (a) dạng áp tải trở (b) tia sáu pha (khi đặc tính ngỏ ra) : Sơ đồ cầu ba pha Sơ đồ tia sáu pha: - Chỉnh lưu dẫn điện 1/6 chu kỳ - Chỉnh lưu dẫn điện 1/3 chu kỳ - Có thể nối trực tiếp vào lưới, có dùng biến áp chịu áp ngược gấp đôi - Phải dùng biến áp kích thước, giá thành bé - Chỉ dùng cho công suất nhỏ - Thường sử dụng cho công suất lớn c Sơ đồ sáu pha có kháng cân bằng: ( hình 4.1.6 ) Gồm có hai sơ đồ ba pha hình tia có ngỏ nối song song qua cuộn kháng có lõi thép KCB Các pha điện áp vào hai chỉnh lưu ngược để chúng làm việc hai bán kỳ điện áp Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm Học kì năm học 2004-2005 http://www.ebook.edu.vn lưới, làm cho cuộn dây sơ cấp dẫn dòng hai bán kỳ, khắc phục nhược điểm sơ đồ hình tia pha Cuộn kháng cân cần thiết thiết kế điện áp trung bình hai chỉnh lưu điện áp tức thời chúng không giống Thật vậy: v01 ( wt ) = v02 ( wt − π ) vo = vo − vcb vcb = vo − vo1 < 4.1.10 > ⇒ vo = (vo1 + vo ) kyø < 4.1.11 > Nhờ áp trung bình cộng hai áp ngỏ vào nhấp nhô xung chu Mặt khác, lấy trung bình hai vế , ta tìm quan hệ giá trị trung bình: Vcb = Vo − Vo1 = < 4.1.12 > Vo = Vo1 = Vo < 4.1.13 > Kháng cân không chịu áp chiều trị trung bình áp Vo với trị trung bình chỉnh lưu, chỉnh lưu dẫn dòng điện tải Việc tính toán kháng cân trở lại phần khảo sát toán chỉnh lưu A IV.2 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA ( SCR ): i o T1 T2 T2 R v o v T3 T2 C T3 T1 L v o T2 v o C T4 (c) T5 D3 ab D1 bc ca T3 A N B L i o B R R v o (b) i o T1 B v L T4 (a) A C i o T1 T? KCB R L T6 - ca R i o vo2 (d) Hình 4.2.1: Các sơ đồ chỉnh lưu SCR Io/2 v o1 v o vcb - bc D2 D6 Io/2 D4 - ab D5 Hình 4.1.6: Sơ đồ chỉnh lưu diod pha có kháng cân Với tính cách chỉnh lưu, SCR thay diod sơ đồ khảo sát phần IV.1, kết hợp với khả điều khiển pha, ta thay đổi áp bắt chúng dẫn điện chậm so với diod tương ứng khảo sát sau Sơ đồ chỉnh lưu SCR hai xung - hình 4.2.1.(a) (b): Trường hợp tải trở: Xét trường hợp sơ đồ cầu hình 4.2.1.(a), cặp SCR T1, T4 T2, T3 có xung kích khởi (trên hình 4.2.2 iGT1 iGT2) Giả sử đóng nguồn vào lúc wt = Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất iO = => vO = vaø vT1 + vT4 = v− vO > : vaäy T1 T4 phân cực thuận wt = α , có xung điều khiển, T1 T4 dẫn điện: vO = v = R.iO => dòng tải có dạng với áp Khi wt = π , dòng áp 0, SCR tắt => góc dẫn γ = π − α Trị trung bình áp ra: Vo = ∫ π v ⋅ dwt = π α Vo = V π [cos α + 1] ∫ π π α V sin wt ⋅ dwt Giá trị tức thời dòng điện tải io = V ⇒ trị trung bình I o = o R vo R Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu dùng biến áp có điểm (hình 4.2.1.b) tương tự Hình 4.2.2: Các dạng áp chỉnh lưu xung ĐK pha Trường hợp tải RL: Phươhg pháp khảo sát hoàn toàn tương tự trường hợp tải trở, wt = α , T1 T4 dẫn điện kích, phương trình vi phân mô tả mạch điện: vo = Rio + L dio = v = V sin wt dt điều kiện ban đầu io wt = α = Có thể nhận xét phương trình dòng qua mạch có dạng hoàn toàn giống trường hợp biến đổi áp xoay chiều (chương 3): − (ωt −α ) ⎤ V 2⎡ ω ⋅τ ⎥ io = ⎢sin(ωt − φ ) − sin(α − φ ) ⋅ e Z ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ với tổng trở tải Z = R + (ωL)2 wL R dòng điện tăng lên từ giá trị không, không áp ra, vớiø áp nguồn, có giá trị âm Góc dẫn γ > ( π − α ) , xác định theo tính toán thực hành theo phụ lục góc pha φ = tg −1 Hình 4.2.3: Dạng dòng, áp chỉnh lưu xung, tải RL với dòng gián đoạn Qua bán kỳ âm, hoạt động mạch diễn tương tự Khi wt = π + α, SCR T2 T3 dẫn điện vO = − v, ta có xung dòng dương Trị trung bình áp cần tích phân bán kỳ: Vo = π v dwt o 2π ∫ = α + γ v ⋅ dwt π α ∫ = V π [cos α − cos(α + γ )] áp phụ thuộc góc dẫn γ, thay đổi theo tải RL Trị trung bình hiệu dụng dòng tải nhận tích phân hay tính toán thực hành theo phụ lục Nhưng dễ dàng tính trị trung bình dòng tải từ trị trung bình áp áp dụng nguyên lý xếp chồng, công Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn thức nhận giống trường hợp chỉnh lưu diod Io = Học kì năm học 2004-2005 Vo R Trường hợp tải dòng liên tục: Xảy L đủ lớn góc điều khiển pha bé, góc dẫn γ tăng đến π Khi SCR kích dòng tải chưa không Và vậy, SCR thay phiên dẫn dòng tải Xét chu kỳ tựa xác lập, hệ thống hoạt động đủ lâu để trình độ chấm dứt, dòng lập lại chu kỳ lưới (hình 4.2.4) Hình 4.2.4: Dạng dòng, áp dòng tải liên tục Ở < wt < α , T2, T3 dẫn dòng tải Áp vO < T1, T4 phân cực thuận wt ≥ α : T1, T4 dẫn điện có dòng kích T2, T3 tắt tiếp tục dẫn dòng qua chạy ngược từ K sang A Ta có chuyển mạch dòng tải từ SCR dẫn sang SCR kích Vậy dòng liên tục, SCR catod (hay anod) thay phiên dẫn dòng điện tải, góc dẫn – trường hợp tổng quát – SCR 2π / n ,với n số SCR nối chung catod (hay anod) Với sơ đồ chỉnh lưu xung, n = Kết dạng áp không đổi theo tải, có trị trung bình : α+π α+π Vo = ∫ v ⋅ dwt = ∫ V sin wt ⋅ dwt = Vdo ⋅ cos α π α π α với Vdo áp chỉnh lưu diode, baèng Vdo = 2 π V Khi L vô cùng, dòng tải trở nên phẳng, không nhấp nhô Đây trường hợp hay sử dụng khảo sát lý thuyết trường hợp phức tạp hay thiết kế, nhằm đơn giản toán Ta gọi điều kiện giả thuyết dòng liên tục hay tải dòng liên tục Điều kiện để dòng liên tục tải RL, sơ đồ pha: Như khảo sát, dòng tải liên tục góc dẫn SCR 2π / n ,với n số SCR nối chung anod (hay catod) Để tìm điều kiện cho dòng tải liên tục, giải phương trình để tìm điều kiện cho góc dẫn baèng 2π / = π : v α v O i O π wt Hình 4.2.5: Xung dòng SCR α = φ wt = α +π => io = V Z −( ωt−α ) ⎡ ⎤ ω⋅τ = sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Với nhận xét thời điểm, ta có tải nối với lưới điện xoay chiều qua SCR trường hơp biến đổi áp xoay chiều ( chương hai), kết nghiên cứu chương hai áp dụng cho trường hợp này: Dòng điện tải bắt đầu liên tục góc α < φ (φ góc tải Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất wt = α +π vào , ta có đẳng thức RL) Thật vậy, α = φ Sơ đồ chỉnh lưu SCR ba xung - hình 4.2.1.(c): Hình 4.2.1.(c) thường gọi sơ đồ hình tia ba pha, bao gồm ba SCR nối chung catod (cũng nối chung anod) Xung kích cổng SCR lệch π / , theo thứ tự xoay pha A, B, C : T2 T1 T3 T1 … ( hình 4.2.6 ) Điểm chuyển mạch tự nhiên hay α = SCR điểm mà áp pha tương ứng bắt đầu cao pha khác, kích lúc SCR dẫn điện diod áp lớn Xét SCR T1, α = wt = θ + k 2π với θ = π Trường hợp tải trở: Hình 4.2.6: Dạng dòng, áp chỉnh lưu xung, tải trở Giả sử đóng nguồn vào lúc wt = iO = => vO = vaø vT1 = v− vO > 0, T1 phân cực thuận Khi wt = π + α , có xung điều khiển, T1 dẫn điện: vO = vA = R.iO , dòng tải có dạng với áp Giả sử α > π hình vẽ, π wt = π , dòng áp 0, T1 tắt Góc dẫn γ = π − α − Khi wt = π + α + 2π , T2 có xung kích cổng, nối pha B vào tải Có thể nhận xét dạng áp, dòng giống trường hợp T1 dẫn, chậm pha π / Trong chu kỳ lưới π có xung áp, cần tích phân / chu kỳ để tính trị trung bình áp Có thể chia làm hai trường hợp: α < π / : Áp lưới chưa không trước kích SCR keá tieáp: ♦ π α + π + 23 3 Vo = v ⋅ dwt = V sin wt ⋅ dwt = V ⋅ cos α 2π π o 2π α + π 2π ∫ ∫ α > π / : Áp lưới không trước kích SCR kế tiếp: ♦ Vo = ∫ π 2π α + π vo ⋅ dwt = ∫ π 2π α + π [ ] V sin wt ⋅ dwt = V + cos( α + π ) 2π ♦ α > 5π / : Áp pha tương ứng bé không, SCR dẫn điện kích, suy phạm vi điều chỉnh góc kích SCR tải R từ đến 5π / Trang / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Học kì năm học 2004-2005 Trị trung bình dòng qua tải tính theo trị trung bình áp Vo áp dụng nguyên lý xếp chồng Trường hợp tải dòng liên tục: iO Các SCR thay phiên dẫn dòng tải T2 T3 T1 …tương ứng với góc dẫn T1 cho SCR π / không phụ thuộc góc điều pha Như vậy, dạng áp không phụ thuộc tải trị trung bình áp có dạng Phạm vi thay đổi góc điều khiển pha α theo lý thuyết, từ đến π Trị trung bình áp thay đổi từ Vdo = V đến − Vdo 2π Hình 4.2.7: Áp, dòng sơ đồ điều khiển pha xung, tải dòng liên tục Sơ đồ chỉnh lưu SCR sáu xung tải dòng liên tục – Mạch động lực hình 4.2.1.(d): Tương tự chỉnh lưu diod, hoạt động sơ đồ cầu ba pha điều khiển pha phân tích thành hoạt động hai nhóm: nhóm dương gồm T1, T2, T3 nối chung catod nhóm âm gồm T4, T5, T6 nối chung anod Điểm α = ( chyển mạch tự nhiên ) SCR điểm bắt đầu dẫn điện diod vị trí Thứ tự điều khiển SCR thứ tự xoay pha lưới, SCR pha lệch nửa chu kỳ lưới: T2 T1 T6 T3 T4 (a) T1 T5 T6 (b) Như khoảng cách xung SCR nhóm ( T1 T2 ) π / , SCR nối tiếp ( T1 T6 ) π / , xem hình 4.2.8.(b) Lưu ý SCR nhận xung: để bắt đầu dẫn ( có tô đậm ) xung phụ từ SCR kích sau ( không tô ), để đảm bảo (c) lúc có hai SCR làm việc Với giả thuyết dòng liên tục, vAB vAC vBC vBA vCA vBA lúc cómột SCR nhóm dẫn, áp nhóm v+ v_ so với trung tính lưới vẽ nét đậm hình 4.2.8.(a) áp tải Hình 4.2.8: Sơ đồ cầu pha điều khiển pha: dạng áp các áp dây tương ứng với cặp SCR điểm sơ đồ (a), xung kích SCR (b), áp dẫn.- hình 4.2.8.(c) Mỗi chu kỳ lưới có khoảng dẫn SCRs (c) Trang 10 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất Trung bình áp ra: cho ta: v VO = 0.45*220*(1 + cos 45) = 169 volt O Trung bình dòng ra: IO = 169/10 = 16.9 A Df Theo hình 4.5.3, trị trung bình dòng qua SCR, Diod sơ đồ chỉnh lưu: π I o dwt = I o ⋅ 2π ∫α 135 = 16.9 ⋅ = 6.34 A 360 IT = I D = i =I O T1, D4 Df O T2, D3 α = π/4 [π2−πα ] π wt v Hình 4.5.3 Trung bình dòng qua diod phóng điện Df: [ ] α ∫0 I o dwt = I o ⋅ 2απ π 45 = 16.9 ⋅ = 4.22 A 180 I Df = Trong toán thiết kế, định mức dòng ngỏ IO giữ không đổi góc ĐK pha α thay đổi, định mức dòng qua SCR, Diod chọn theo điều kiện làm việc xấu nó, với dòng ngỏ IO Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha hổn hợp (hình 4.5.1.c) tải RL: Giống sơ đồ cầu pha SCR, ta chia chỉnh lưu làm hai nhóm: nhóm + gồm SCR, có điều khiển pha nhóm – gồm diod Khảo sát hoạt động nhóm cho ta điện áp đầu dây ngỏ v+ v_ nét đậm hình 4.5.4, áp vO áp dây gồm xung không điều khiển pha, nên ngỏ nhấp nhô lần chu kỳ Hình 4.5.4 vẽ dạng điện áp α < π / Khi α = áp trở dạng chỉnh lưu cầu ba pha diod, ngỏ xung Khi α > π / áp có khoảng không Df hay diod SCR pha dẫn (khi Df) Vì khoảng dẫn điện diod khoảng điện áp pha âm không đổi khoảng dẫn SCR thay đổi có điều khiển pha, dòng điện bán kỳ dương âm pha không lệch 180O Đây nhược điểm lớn họ sơ đồ này, hạn chế công suất tải áp dụng tạo nhiều hài dòng điện cho lưới Trung bình áp dòng liên tục tính theo tổng hai chỉnh lưu ba pha tia, với góc điều khiển α không điều khieån: Vo = V (1 + cos α ) 2π Hình 4.5.4: dòng, áp chỉnh lưu cầu pha ĐK không hoàn toàn Ví dụ: Giả sử dòng tải liên tục, phẳng Vẽ dạng dòng qua nguồn hai trường hợp α = 36O α = 90O Tính hệ số công suất chỉnh lưu hai trường hợp Trang 23 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm Học kì năm học 2004-2005 http://www.ebook.edu.vn Dạng áp hai đầu chỉnh lưu dòng điện pha A hai trường hợp sau: Khi a = 36O dòng qua pha A gồm hai xung biên độ 2π/3 π − α = π/2 α = π/2 > π/6 (xem hình vẽ) - Khi a = 36O dòng hiệu dụng qua pha A bằng: 2i2π / I R = Io = Io Công suất tải PO =VO IO với VO tính theo hệ số công 2π P V (1 + cos π )i I o 3(1 + cos π ) 5 = suaát: HSCS = o = 2π = 0.863 2π S 3iV i I o Hình 4.5.5: Dòng qua nguồn chỉnh lưu cầu pha ĐK không hoàn toàn - Khi a = 90O dòng hiệu dụng qua pha A bằng: I R = I o số côn g suất HSCS = Po = S 2π V (1 + cos π ).I o 3.V I o = π 2i(π − α ) (π − α ) I o = Io = hệ 2π π = 0.551 Vậy HSCS luôn cao chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn (chỉ dùng SCR) IV.6 BỘ CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU: Các sơ đồ: Chỉnh lưu điều khiển pha dù cung cấp áp > < dòng cho phép > (làm việc phần tư I IV mặt phẳng tải VO, IO) hình 4.6.1 Để đảo chiều dòng điện tải, có hai sơ đồ chính: - Sử dụng tiếp điểm đảo chiều (hình 4.6.2.a): Hình vẽ có tiếp điểm T đóng, cung cấp chiều dòng tải, T ngắt N đóng dòng tải phép đảo chiều + N Tải N Lưới T Hình 4.6.2 Sơ đồ nguyên lý: (a) Đảo chiều dùng tiếp điểm Trang 24 / Chỉnh lưu điều khiển pha Tải _ Lưới + T _ Phầ n tư IV Hình 4.6.1 Io Lưới Phần tư I _ + V o (b) BBĐ đảo chiều http://www.khvt.com Io Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất http://www.ebook.edu.vn - BBĐ đảo chiều: Gồm hai chỉnh lưu cung cấp hai chiều dòng tải, hình 4.6.2.(b) sơ đồ nguyên lý hình 4.6.3 sơ đồ cụ thể với chỉnh lưu hình tia Nguyên lý điều khiển BBĐ đảo chiều: Để hai BBĐ cung cấp giá trị VO cho tải, góc đk pha hai BBĐ có quan hệ sau giả sử dòng tải liên tục: VO =VO1 = Vdo.cos α1 = VO2 = - Vdo.cos α2 => cos α1 = - cos α2 hay α1 A B C + α2 =π neáu α1 > : BBĐ chỉnh lưu => α2 < : BBĐ nghịch lưu T1 T3 v o1 T4 N T2 T5 KCB BBÑ cung cấp áp trung bình VO1 với góc α1, BBĐ cung cấp áp VO2 α2 T6 v o2 i o v Tải o hình 4.6.3 Dùø trị trung bình hai BBĐ nhau, giá trị tức thời chúng không làm xuất dòng điện cân (còn gọi tuần hoàn – circulation) chạy qua hai chỉnh lưu chúng làm việc Dòng cân lớn ta tổng trở hạn chế chúng Người ta có cách điều khiển sau: - Điều khiển riêng: Mỗi lúc cho chỉnh lưu làm việc tương ứng với chiều dòng điện hoạt động hay mong muốn Như dòng cân Với điện áp VO tải, đảo chiều dòng BBĐ chỉnh lưu, lại nghịch lưu ngược lại Cần có thời gian hai BBĐ không làm việc chuyển BBĐ làm việc để tránh trường hợp hai BBĐ dẫn điện - Điều khiển chung (đồng thời): Hai BBĐ có xung điều khiển có có dòng tải, dòng cân hạn chế cuộn kháng KCB qui luật điều khiển thích hợp Có hai cách phối hợp : tuyến tính phi tuyến • Phối hợp tuyến tính: Gọi α1, α2 góc điều khiển pha hai chỉnh lưu Các áp trung bình VO1 = VO2 = VO cho ta α1 = π - α2, tương tự khảo sát điều khiển riêng Áp cuộn kháng cân vcb = vo1 – vo2 thành phần chiều (trị trung bình • 0) tính tương tự kháng cân chỉnh lưu sáu pha có kháng cân (mục IV.4.1) Dòng cân có tác dụng làm dòng qua BBĐ liên tục Phối hợp phi tuyến: Để giảm nhỏ kích thước cuộn kháng cân hạn chế dòng cân giá trị mong muốn, người ta điều khiển cho áp nghịch lưu lớn áp chỉnh lưu: α2 = π + δ - α1 hay α1 + α2 > π IV.7 SỬ DỤNG NGẮT ĐIỆN CHUYỂN MẠCH CƯỢNG BỨC CHO CHỈNH LƯU: Việc sử dụng ngắt điện đóng ngắt theo điều khiển GTO hay tổ hợp transistor + diod sơ đồ chỉnh lưu cho phép: - nâng cao hệ số công suất BBĐ sơ đồ chỉnh lưu điều khiển góc đối xứng (symmetrical angle control) hay điều rộng xung, cải thiện dạng (giảm biên độ sóng hài bậc cao) dòng nguồn - phát trả công suất phản kháng nguồn sơ đồ điều khiển góc tắt (extinction angle control) Trang 25 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Chỉnh lưu điều khiển góc tắt: (Hình 4.7.1) Học kì năm học 2004-2005 - Sơ đồ làm việc ¼ mặt phẳng tải Trung bình áp sơ đồ cầu pha góc daãn γ = α: Vo = π∫ α V sin wt.dwt = V π (1 − cos α ) io v GTO2 GTO1 vo i v vo D3 wt Df D4 α π 2π Hình 4.7.1.a: Chỉnh lưu cầu pha GT0 - Khi giả sử dòng tải phẳng, liên tục: io = Io không đổi dòng nguồn xung vuông, sớm pha với áp nguồn v goùc (π − α ) / GT01 Df GT02 Df io góc sớm pha Vậy ht cung cấp công suất phản Dòng qua nguồ n i kháng cho nguồn Tuy nhiên, dòng không sin, hiệu thực phương án không cao hình 4.7.1b: Áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển góc tắt Chỉnh lưu điều khiển góc đối xứng hay điều rộng xung: (Hình 4.7.2) vo - Khi sử dụng mạch điện v hình 4.7.1.a , đóng ngắt GTO theo luật phức tạp chỉnh lưu có hệ số công wt π suất tiến đến dạng áp hình α 2π (π −α) 4.7.2 Tính toán tng tự sơ đồ điều khiển góc khóa, HSCS không dòng nguồn io pha với áp không hình sin GT02 Df Ta tăng số xung GT01 Df bán kỳ để điều chế dòng hình sin (xem chương 6) Hình 4.7.2: Áp sơ đồ điều khiển góc đối xứng Trang 26 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất Ưu điểm lớn sơ đồ io HSCS không giảm nhiều giảm áp ngỏ sử A L Q1 Q2 Q3 dụng SCR B L Chỉnh lưu làm việc hai C Tả i v L o tích cực phần tư I II: C Với việc sử dụng ngắt điện chuyển mạch cưỡng bức, ta Q4 Q5 Q6 cho dòng điện tải đảo chiều áp Hình 4.7.3: BBĐ làm việc hai phần tư (dùng IGBT) chiều tải lớn giá trị áp nguồn chỉnh lưu diod hình 4.7.3 Mỗi ngắt điện bao gồm IGBT có diod song song ngược Khi áp tải lớn áp chỉnh lưu diod, dòng qua diod ta điều khiển khoảng dẫn IGBT để trả lượng nguồn Vậy sơ đồ hình 4.7.3 có Vo ≥ Vdo Io > hay < IV.8 MẠCH KÍCH SCR ĐIỀU KHIỂN PHA: Nguyên lý điều khiển pha: Hiểu cách đơn giản nhất, mạch kích SCR sơ đồ điều khiển pha cung cấp cho cực cổng dòng điện tần số ( đồng bộ) với lưới điện pha thay đổi theo tín hiệu điều khiển Theo định nghiã, góc lệch pha trường hợp áp cực đại với tải R, tương ứng với việc thay SCR < D Hình 4.9.1 Để tăng độ xác, dạng sóng cần có độ dốc lớn thời điểm kích SCR, dạng xung hình 4.9.1 Cũng hình này, gốc để tính góc điều khiển pha α (ứng với trường hợp α = 0) lệch với lưới v góc θ phụ thuộc sơ đồ cách lấy tín hiệu lưới để đồng mạch kích Nguyên lý điều khiển pha thường dùng cho điều khiển sử dụng vi mạch tương tự so sánh, có sơ đồ hình 4.9.2.a Trang 27 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Phát xung điều khiển pha theo nguyên lý so sánh có hạt nhân mạch so sánh với ngỏ vào hai tín hiệu: k tín Lưới hiệu điều khiển tín hiệu chiều, b tín hiệu ngỏ mạch đồng bộ, tín hiệu tần số lưới, có độ dốc không đổi dấu (a) α = αmax khoảng α = αmin đến Học kì năm học 2004-2005 Tạ o áp đồn g u đb so sánh U đk α Kích SCR (thường π) khoảng thay đổi góc điều khiển pha α Khi k = b, ngỏ so sánh thay đổi trạng thái, đánh dấu thời điểm kích SCR Thay đổi áp k điều khiển góc điều khiển pha α Hình 4.9.2.(b) vẽ dạng sóng với áp đồng cưa tăng Khi để ý góc ĐKP α xác định so sánh b k tương đương với so sánh hiệu số b – k 0, nguyên lý gọi nguyên lý thẳng đứng (thay đổi ta nâng hạ theo chiều (b) Hình 4.9.2 thẳng đứng áp điều khiển) Từ dạng b tìm quan hệ α(b,k) suy quan hệ trung bình áp Vo k Hàm truyền BBĐ: Các BBĐ ĐTCS có hàm truyền gần theo dạng: H ( s) = K BĐ eτ s K BĐ 1+τ s với KBĐ= Vo/k τ thời gian trễ BBĐ, lấy thời gian trung bình lần phát xung điều khiển, T/ 2m chỉnh lưu SCR, T chu kỳ lưới, m: số xung Trong số tài liệu khác τ lấy T/ m Ví dụ: Tìm hàm truyền chỉnh lưu ĐKP, sơ đồ cầu pha, áp lưới 220 V (áp pha), sử dụng áp đồng hình 3.28.b , biên độ áp đồng b = 10 volt Giả sử dòng tải liên tục, trung bình áp Vo = 2.34 Vcos α Từ hình 3.28.b ta có hai tam U giác đồng dạng: α = π đk với áp đồng có α = α max = π U ñb ⎛ U ⎞ ⎛ U ⎞ suy VO = 2.34i220 cos ⎜ π đk ⎟ = 514.8cos ⎜ π đk ⎟ KBĐ = Vo / k có dạng cosin, ⎝ 10 ⎠ ⎝ 10 ⎠ hàm phi tuyến Thời τ = T/2m = 0.02 / (2*6) = 0.00167 giaây Với dạng áp đồng cưa tăng hình , k tăng , α tăng làm áp giảm không phù hợp với điều khiển theo sai lệch Trong thực tế, người ta thay k (b – k) nhờ Trang 28 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn vào mạch dời mức ví dụ cuối chương Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất Mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha theo nguyên lý so sánh: Nguyên lý so sánh sử dụng rộng rãi thiết kế vi mạch tương tự (analog) a Sơ đồ khối: Hình 4.8.3 cho ta sơ đồ khối đầy đủ mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha Khối lệch pha θ hiệu chỉnh độ lệch pha áp lưới cho mạch khám phá zero cho xung góc pha α = Tín hiệu zero đồng mạch phát xung theo nguyên lý làm trễ hay kích khởi mạch tạo áp đồng Như ta biết, mạch so sánh xác định thời điểm kích SCR b k Mạch đơn ổn ngõ so sánh xác định bề rộng xung kích SCR Các mạch vừa kể thuộc vào khối phát xung kích SCR, khác pha Trong sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha, pha có khối phát xung kích SCR, ngõ chúng đưa khối logic để phối hợp, đảm bảo sơ đồ nhiều pha làm việc Khối khuếch đại ghép nâng mức công suất xung nối vào cực cổng SCR, phải đảm bảo điều kiện cách ly điện SCR với nhau, SCR mạch điều khiển Pha lưới Xung từ pha khác Lệch pha Khám phá ZERO θ α=0 Mạch phát xung ĐK pha Tạo áp đồn g u đb α LOGIC Đơn ổn so sánh K đại & ghép SCR chỉnh lưu k Hình 4.8.3 c Mạch phát xung điều khiển pha dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT): D18 12V _12V R25 D20 10k D22 DB R30 Khaùm phaù zero 2k2 R34 11 10k TL084 U5A 0.1u C20 3k3 R28 10 3k3 R33 14 12 U5D DK R29 13 R32 100k _12V 3k3 R27 D19 U5C So saùnh 0.1u C21 1k 15k R26 SCR U5B Maïc h đơn ổ n Tạ o xung đồng Hình 4.8.4.(a) Mạch khám phá zero U5A so sánh tín hiệu DB sin lưới chỉnh lưu ngưỡng chiều, cho xung dương DB qua zero [dạng sóng (1) hình 4.8.4(b)] U 5D mạch tích phân để tạo áp đồng b Khi ngỏ U5A cao, U 5D tích phân xuống với thời gần R27*C20 có trị số bé tạo cạnh xuống áp đồng Khi ngỏ U5A thấp, U 5D tích phân lên với thời R32*C20 có trị số lớn cho ta cạnh lên cưa, độ dốc làm việc Diod D18 có anod nối ngỏ vào – KĐTT giữø cho giá trị b khoảng từ –Vγ đến bmax U 5C so sánh dùng KĐTT, cho xung dương [dạng sóng (4)] b > k Cạnh lên ngỏ U5C thời điểm kích SCR U5B so sánh mạch đơn ổn không tự giữ, xác định bề rộng xung kích SCR, thường lấy mili giây cho sơ đồ chỉnh lưu Bề rộng thay đổi theo thời C21*R26 mạch vi phân [dạng sóng (3)] Diod D19 không cho ngỏ vào U 5B có giá trị âm, Trang 29 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Học kì năm học 2004-2005 bảo vệ ngỏ vào KĐTT xả nhanh tụ C26, giữ không đổi bề rộng xung suốt khoảng thay đổi α Sơ đồ hình 4.8.4.a cho xung kích SCR hai bán kỳ[dạng sóng (5)], có thông số phụ thuộc hai tụ điện (C20, C21) hai điện trở (R32, R26); dùng áp chiều để điều khiển góc α cho thấy khả chế tạo vi mạch điều khiển pha Trong công nghiệp, vi mạch điều khiển pha có sơ đồ khối tương tự, kỹ thuật mạch thay đổi để dùng nguồn, trở tụ thường nối xuống điểm chung để giảm số chân sử dụng pha: Áp đồng dạng cosin khối lệch Như trình bày phần nguyên lý, áp đồng mạch phát xung điều khiển pha cần có độ dốc không đổi dấu khoảng α đến α max Hình 4.8.4.(b) Như có dạng cưa với (a) độ dốc dương, (b) độ dốc âm (c ) dạng cosin [trên hình 4.8.5] Dạng (a) dễ thực có bất lợi k tăng, góc kích α tăng tương ứng áp Vo giảm Dạng (b) có (a) đặc tính ngược lại, khó thực Áp đồng cưa cho ta góc điều khiển pha α thay đổi tuyến tính với áp điều khiển k Điều làm cho quan hệ trung bình điện áp (b) π 2π π 2π π 2π ngoû k tuyến tính, quan hệ Vo(α) có hàm sin, cos Đây bất lợi cho hệ thống điều khiển tự (c) động khó hiệu chỉnh hệ thống phi tuyến Đồng cosin cho ta quan hệ α(k) có dạng Arccos, hàm bị khử bỏ dòng qua chỉnh lưu liên tục, đó, Vo(α) có dạng cos () Thực vậy, gọi biện độ hình cosin bmax, k = b ta có: Hình 4.8.5 k = b = Uñbmax Cos α hay ( ) α = cos −1 k b max viết lại Vo = Vdo cosα , với Vdo = m sin π V π m Hình 4.8.6 Các bất lợi kể là: dạng cos kích cho SCR thay pha đồng cưa (hình 4.8.5), phạm vi thay đổi góc kích hẹp α giảm không áp Trang 30 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất http://www.ebook.edu.vn đồng thường có nguồn gốc lưới nên biên độ không cố định dể bị nhiễu … Để tạo hàm cosin, ngøi ta thường lấy áp lưới qua biến áp giảm cho lệch pha Có thể sử dụng mạch lệch pha dùngRC, RC KĐTT, mạch xoay pha biến áp RC hay chọn pha thích hợp Hình 4.8.6 cho ta vector áp pha dây lưới điện ba pha Các áp pha dây lưới ba pha có độ lệch pha 30O, 60O, 90O, 120O Có thể chọn thành phần thích hợp để có hàm cosin cho mạch điều khiển pha Ví dụ để kích SCR cho mạch pha, ta cần lệch 90O Từ hình 4.8.6, nhận xét pha A áp dây BC lệch 90O Một ví dụ khác, sơ đồ ba pha tia (hình 4.2.1 4.2.6) SCR pha C T3, α = áp dây CB không Hàm cosin kích SCR T3 đảo pha A (pha – A) Các phương pháp làm lệch pha trình bày ứng dụng vào khối lệch pha sơ đồ khối tổng quát mạch kích SCR điều khiển pha (hình 4.8.4.a) Khối lệch pha cần thiết cho việc sử dụng mạch khám phá zero tìm điểm α = áp lưới không qua zero α = (hình 3.28) Ví dụ sơ đồ ba pha tia (hình 4.2.1) để kích SCR pha A T1, làm chậm áp pha A góc 30 hay dùng áp dây AC đưa vào mạch khám phá zero O Mạch khuếch đại xung ghép với khối động lưc: Các mục trình bày cách tạo xung điều khiển pha SCR, tín hiệu cần khuếch có đủ lượng (dòng) kích SCR Mạch khuếch đại xung chủ yếu khuếch đại dòng, áp đặt vào cực cổng SCR bé, khoảng vài volt dòng kích cổng đến ampe cho SCR có dòng anod vài trăm ampe Khi ghép trực tiếp mạch kích vào cực cổng, mạch khuếch đại thường mạch theo phát (tải cực phát E) Có thể sử dụng thêm tầng khuếch đại transistor ghép trực tiếp tụ gia tốc (xem chương 4, phần mạch lái transistor) BAX VCC 100 D2 SCR 47n D2 3k3 3.3 ohm D1 3k3 Q1 3k3 Hình 4.8.7 (a) (b) Một toán hay gặp thiết bị điện tử công suất yêu cầu cách ly mạch điều khiển mạch động lực Việc cách ly mạch điều khiển có mức lượng bé mạch động lực công suất lớn đảm bảo an toàn cho người vận hành thiết bị, tăng cường khả chống nhiễu trường hợp mạch điện tử công suất bắt buộc ngắt điện điểm chung (common hay mass) sơ đồ cầu Và cần phương tiện để ghép không điện xung điều khiển vào cực cổng SCR hay cực điều khiển transistor Có hai môi trường thông dụng: từ – biến áp xung, quang – ghép LED – quang điện tử với tên thương mại OPTRON Trang 31 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm Học kì năm học 2004-2005 http://www.ebook.edu.vn Hình 4.8.7.(a) (b) trình bày dạng sóng mạch khuếch đại xung ghép với SCR cho chỉnh lưu cầu ba pha Các diod D1, D2 , transistor Darlington Q1 thực hàm OR khuếch đại dòng Biến áp xung BAX cực thu C transistor qua điện trở hạn dòng 3.3 ohm Nguồn VCC 24V tỉ số giảm áp BAX :1 để giảm dòng qua transitor nguồn cấp điện Tụ điện 47 nF điện trở 100 ohm nối gần SCR tốt để chống nhiễu dây nối mạch điều khiển SCR dài Các thông số dùng cho SCR có định mức trung bình dòng đến 250 A Khi Q1 bảo hòa, áp nguồn VCC xem đặt vào sơ cấp biến áp Điện áp cảm ứng qua thứ cấp tạo nên dòng kích cho SCR Dòng qua cuộn sơ cấp biến áp gồm dòng từ hóa dòng phản ảnh từ thứ cấp Khi bề rộng xung đủ bé, lõi thép biến áp chưa bảo hòa ta có điện dòng điện cảm ứng thứ cấp Khi Q1 tắt, dòng từ hóa biến áp phóng qua diod D3 giảm không Như biến áp xung chịu từ hóa cực tính cần phải thiết kế cho không bảo hòa Khi xung đủ rộng, dòng kích từ tăng cao, lõi thép bị bảo hòa từ thông không thay đổi, áp cảm ứng giảm đến không Hiện tượng xảy ta có chuỗi xung dòng từ hóa chưa không có Bề rộng xung kích SCR (xung hẹp) khoảng mili giây IV.9 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA: Là thiết bị biến đổi lượng điện từ xoay chiều chiều, chỉnh lưu sử dụng rộng rãi công nghiệp ngành kỹ thuật khác cần điện chiều, nguồn điện xoay chiều Trong công nghiệp, ta quan tâm đến hai nhóm ứng dụng: Truyền động điện động chiều nguồn chiều cho trình công nghệ khác Trong đa số trường hợp, dù thông số đặc trưng điện áp đại lượng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phụ tải dòng điện Trong động cơ, dòng điện tạo momen chuyển động Ở trình điện hóa, dòng điện định số lượng chất lượng sản phẩm phát nhiệt Do đó, chỉnh lưu điều khiển pha sử dụng rộng rãi, mạch lọc không cần thiết cuộn kháng có lõi thép để san phẳng dòng điện Trong số trường hợp đặc biệt, lọc LC sử dụng Tuy nhiên bôï nguồn cấp điện cho mạch điện tử, chất lượng điện áp ngỏ yêu cầu cao Người ta sử dụng hai dạng biến đổi: - Chỉnh lưu diod có lọc C hay LC mạch ổn áp transistor (ổn áp tuyến tính) khảo sát tương đối đầy đủ tài liệu mạch điện tử, không đề cập đến giáo trình Khi công suất lớn lớn, sử dụng chỉnh lưu SCR lọc LC để giữ ổn định áp thay cho ổn áp tuyến tính Nhược điểm phương án độ phẳng áp - Ngày tất cở công suất, nguồn xung sử dụng tương đối phổ biến ưu điểm kinh tế kỹ thuật Bộ biến đổi khảo sát chương Các nguồn chiều điều khiển pha: Như phân tích trên, nguồn chiều công nghiệp có đại lượng tác động trực tiếp dòng điện Có thể kể ứng dụng: nạp accu, điện phân, xi mạ, máy hàn điện chiều… Sơ đồ khối thiết bị chỉnh lưu có điều khiển nhö sau: Trang 32 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Biến áp Chỉnh lưu Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất Lọ c (có thể khô ng cầ n) Lưới Tải (a) ĐK pha p AC Biế n áp Chỉnh lưu Lưới Hình 4.9.1: Bộ nguồn DC dùng chỉnh lưu điều khiển pha Tải (b) Trong đó: - Lọc: Mạch lọc thường cuộn kháng để lọc dòng điện, không cần - Chỉnh lưu diod hay SCR biến đổi AC DC, sơ đồ nhiều pha công suất lớn để giảm độ nhấp nhô (sóng hài) phân tải pha lưới, khai thác tốt nguồn điện - Biến áp: Giảm, tăng áp nguồn đến giá trị thích hợp; cách ly lưới tải, đảm bảo an toàn cho người vận hành máy sản xuất - Điều chỉnh áp/dòng thực qua điều khiển pha chỉnh lưu sơ đồ hình 3.34.(a) biến đổi áp xoay chiều (b) Bộ nguồn chiều có sơ đồ hình (b) có ngỏ hoàn toàn giống sơ đồ hình (a) điện áp điều khiển pha sơ cấp chỉnh lưu thứ cấp Sơ đồ có hiệu kinh tế lớn hai trường hợp: + Áp bé dòng lớn: Trong thiết bị có dòng đến vài ngàn ampe điện áp vài chục volt, việc thay chỉnh lưu SCR diod giảm giá thành SCR đắt tiền diod, tăng hiệu suất thiết bị nhờ diod có sụt áp bé SCR Các lợi ích lớn so sánh với việc thêm điều khiển pha áp xoay chiều + Áp lớn dòng bé: Trong nguồn cho thiết bị tạo tỉnh điện tần số công nghiệp, người ta sử dụng áp lớn, từ vài chục đến hàng trăm kV với dòng điện khoảng 10 A Điều chỉnh áp phía sơ cấp biến áp dùng chỉnh lưu diod thứ cấp, người ta tránh việc phải điều khiển nhiều SCR mắc nối tiếp để chịu điện áp cao, phức tạp tốn Trang 33 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Việc chọn sơ đồ cho nguồn chiều Lưới thông thường định giá thành chỉnh lưu biến áp giảm áp, sơ đồ cầu pha dùng cho mạch công suất lớn và sáu pha có kháng cân sử dụng (a) chỉnh lưu hiệu Học kì năm học 2004-2005 Chỉnh lưu Điều khiển động chiều: Lọc (có thể không cần) Kích từ w φ a Sơ đồ khối đặc tính động cơ: Hình 4.9.2.(a) cho ta sơ đồ khối hệ thống truyền động điện chiều dùng chỉnh lưu điều khiển pha Truyền động điện gọi dẫn động điện (electric drive) hay cung cấp sức kéo điện bao gồm động điện thiết bị điều khiển (controller) Bộ chỉnh lưu điều khiển pha cho phép cung cấp điều khiển dòng lượng cho động chiều Hình 4.9.2 từ lưới điện xoay chiều công nghiệp Cuộn kích từ động cung cấp từ chỉnh lưu diod hay SCR wo U I, M (b) Trong hình 4.9.2.(a), chỉnh lưu bao gồm biến áp (nếu cần biến đổi áp lưới giá trị thích hợp), cuộn kháng lọc sử dụng để san phẳng dòng, nới rộng khoảng làm việc với dòng liên tục, gần thường không dùng kích thước to, giá thành cao Động chiều loại kích từ độc lập hay hổn hợp Các quan hệ điện từ động chế độ xác lập: R L U E Hình 4.9.3 U = E + R⋅I +ε Ce = kφ M = Ce ⋅ I = kφ ⋅ I E = Ce ⋅ ω U: Điện áp phần ứng động E, I: sức điện động, dòng điện phần ứng động R: điện trở tương đương sụt áp phần ứng ε: Phản ứng phần ứng động cơ, bỏ qua khảo sát suy ra: truyền động điện Ce: Hằng số điện từ w = Ce (U − R ⋅ I ) động chiều, tỉ lệ (hệ số k) vào từ ( bỏ qua phản ứng phần thông φ cuộn kích từ M: momen động ứng ε ) cơ, chế độ xác lập momen cản trục ω: tốc độ, tính rad/giây cho thấy điều chỉnh áp cung cấp, quan hệ tốc độ – dòng điện hay quan hệ tốc độ – momen (còn gọi đặc tính động cơ) đường thẳng song song hình 4.9.2.(b) Người ta điều chỉnh áp giá trị định mức – giảm áp tốc độ lúc nhỏ họn giá trị định mức, gọi điều chỉnh tốc độ Để có momen lớn, từ thông định mức Việc điều chỉnh tốc độ thực cách giảm từ thông với áp đăït vào động giá trị định mức Có thể chứng minh công suất nhận trục để động không bị hư hỏng xấp xỉ công suất định mức Việc điều chỉnh từ thông thực chỉnh lưu SCR thứ hai, cho phép giảm áp cung cấp cho cuộn kích từ áp đặt vào phần ứng Trang 34 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn đạt giá trị định mức Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất b Các toán hệ thống điều khiển động cơ: Có toán sau hệ thống điều khiển động cơ: - Điều khiển tốc độ: Là toán giữ tốc độ không đổi theo tải, yêu cầu quen thuộc - Điều khiển dòng điện momen: Theo , momen dòng điện động tỉ lệ, điều khiển dòng mômen hệ truyền động sử dụng cấu với hai mục đích: * Bảo vệ động biến đổi chế độ xác lập độ * Theo yêu cầu máy móc truyền động - Điều khiển vị trí hệ tuỳ động - Điều khiển gia tốc giảm tốc chuyển động: (khởi động, hãm động cơ) IV.10 TÓM TẮT CHƯƠNG: Chương ba khảo sát sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha III.1 trình bày chỉnh lưu diod với mục đích làm quen, công thức cho chỉnh lưu diod trường hợp riêng chỉnh lưu điều khiển pha, góc điều khiển pha α = O Các khảo sát chỉnh lưu điều khiển pha chương đơn giản hóa, giới hạn điều kiện lý tưởng: tải R tải dòng liên tục phẳng Một số vấn đề chỉnh lưu thực tế hay liên qua đến thiết kế giới thiệu Các sơ đồ điều khiển pha giới thiệu chi tiết giới hạn số sơ đồ thường gặp Phần ứng dụng trình bày dạng tương đối tổng quát, sơ đồ điều khiển dòng, áp giới thiệu kỹ chiến lược điều khiển sử dụng rộng rãi điện tử công suất BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI: Tính trung bình áp Vo áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển pha, tải dòng liện tục góc điều khiển pha α 0, 45, 90 độ Biết áp nguồn 120 volt Tính áp ngược cực đại đặt vào SCR, không để ý đến sụt áp qua SCR Đáp số: α Vo 0o 108V 45 o 90 o 76.4V 0V AÙp ngược cực đại SCR 169.7 volt * Lưu ý : Khi để ý sụt áp SCR, lấy 1.5V Đáp số: α Vo 0o 105V , kết là: 45 o 90 o 73.4V 0V Làm lại sử dụng cầu hổn hợp SCR diod, có diod phóng điện Đáp số: α Vo 0o 108V 45 o 90 o 92.2V 54V Áp ngược cực đại SCR diod 169.7 volt Tính chọn dòng điện cho SCR diod dòng tải không đổi, 25A suốt khoảng thay đổi α từ đến 180 độ Tính với sơ đồ hình 3.23.a Hướng dẫn: Khi dòng tải phẳng - liên tục, 25A biên độ dòng qua DCR, diod Từ hình 3.24VD, ta nhận xét kết sau: - SCR diod cầu chỉnh lưu có góc dẫn lớn nhất, 180 O góc kích 0O đó, dòng trung bình qua chúng 12.5 A ( hay dòng hiệu dụng 17.7A ) Trang 35 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm http://www.ebook.edu.vn Học kì năm học 2004-2005 - Diod phóng điện có góc dẫn lớn tiến đến 360 trung bình 25 A O góc kích 180 O tương ứng dòng 4: a Vẽ mạch động lực chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ pha điều khiển không hoàn toàn ( hổn hợp SCR + diod) Mô tả ngắn gọn hoạt động b.Vẽ thích đầy đủ dạng xung kích SCR dạng áp, dòng qua tải với góc kích α = 30O Cho biết tải RL ( tải dòng liên tục ), nguồn hình sin: e = V sin wt c Với điều kiện câu b, tính trị trung bình áp, dòng ngỏ Cho biết trị số hiệu dụng áp nguồn 220 volt, tần số nguồn 50 Hz, R =10 ohm L = 0.01 henry Chú ý: Giá trị L câu c không cần thiết cho việc xác định dạng áp hay trị trung bình dòng điện, cần thiết cho việc vẽ dạng dòng – đề không yêu cầu Cho chỉnh lưu tia pha điều khiển pha [hình 3.7.( c)], áp nguồn 220/380V Tải (10 +j10)Ω Sử dụng phụ lục chương II để tính trị trung bình áp, dòng α 60O 90O Hướng dẫn: Góc tải φ = tg-1 (10/10) = 45O Góc kích quy trường hợp sơ ñoà SCR θ = 30O α = 60O : Tra phụ lục 1, đồ thị hình PL1.2 cho ta γ (α+θ = 60 + 30, φ = 45 ) ≅ 130Ο > 2π/3 suy dòng tải liên tục (hình 3.13), trị trung bình áp là: cho ta Vo = 128.7 volt Trị trung bình dòng Io = 12.87 A α = 90O Kieåm tra tương tự, γ (α+θ = 90 + 30, φ = 45 ) ≅ 90 Ο < 2π/3 : doøng điện gián đoạn, cần tích phân để α + θ+ γ Vo = V sin wt.dwt = V [− cos wt]α + θ + γ α+θ 2π α + θ 2π tính trị trung bình áp ra: = 3∗ 220∗ [cos(30 + 90 ) − cos(30 + 90 + 90 )] = 53.8volt 2π ∫ Ttrị trung bình dòng đó: Io = 5.38 A Cho chỉnh lưu cầu pha điều khiển pha, cấp điện từ nguồn 220/380V qua biến áp ba pha nối Y/Y Tải động (RLE), R =0.2 Ω , L = 0.02 H Giả sử dòng tải liên tục, tính: a Tính tỉ số biến áp k để trung bình áp 240 V góc kích bé ttính toán α = 15 O b Với tỉ số biến áp câu a, tính áp α = 45 O.vaø α = 90 O c Trong điều kiện câu b, gắn thêm diod phóng điện Df, trị trung bình trở nên d Trong điều kiện câu b, giả sử sóng hài dòng điện cao bậc không, tính hiệu dụng sóng hài dòng α = 15 O, α = 45 O, α = 90 O Trong tính toán không để ý sụt áp chuyển mạch, biến áp qua chỉnh lưu Hướng dẫn: a Áp pha thứ cấp 102.5 V suy k = 0.47 b Vo (45 O) = 169.7 V, Vo (90 O) = V c Vẽ dạng áp ra, Df dẫn điện vo ≤ 0, suy Vo (45 O) = 169.7 V, nhöng ( ) Vo 90 o = 2π/ 2π ∫π / 380 sin wt ⋅ dwt > V d Tính biên độ hài bậc ( w = 300Hz), suy dòng CÂU HỎI: − Hãy trình bày dạng dòng chỉnh lưu điều khiển pha tải RL L thay đổi từ ( tải trở ) đến L vô ( tải dòng liên lục phẳng ) − Vẽ dạng áp chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ pha tải RL góc kích α 60O L thay đổi từ đến L vô Chuyển mạch gì? Tại gọi chỉnh lưu điều khiển pha biến đổi chuyển mạch lưới Phạm vi thay đổi góc điều khiển pha Trang 36 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn Bài giảng tóm tắt Điện tử cơng suất O Hướng dẫn: Tải RL, α ∈ [ 0, 180 ] Khi tải có sức phản điện, phạm vi điều khiển giảm xuống Tác dụng diod phóng điện tải cảm kháng Vẽ dạng xung kích SCR, áp sơ đồ chỉnh lưu điều khiều pha, sơ đồ pha cầu SCR α = 60 Giải thích yêu cầu cần xung kép, sử dụng dạng xung khác không O Trình bày hai nguyên lý để thực sơ đồ kích SCR cho BBĐ điều khiển pha Giải thích tần số nguồn điện có ảnh hưởng đặc tính mạch kích chúng Hãy cho biết ngắn gọn ứng dụng chỉnh lưu chỉnh lưu điều khiển pha đặc điểm Giải thích sơ đồ điều khiển mạch kín hình 3.39, tổng quát hóa hai yêu cầu điều khiển áp dòng biến đổi Trang 37 / Chỉnh lưu điều khiển pha © Huỳnh Văn Kiểm ... TẮT CHƯƠNG: Chương ba khảo sát sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha III.1 trình bày chỉnh lưu diod với mục đích làm quen, công thức cho chỉnh lưu diod trường hợp riêng chỉnh lưu điều khiển pha, góc điều. .. thông thường Ta hay gặp chỉnh lưu pha có kháng cân điều khiển pha Sơ đồ chỉnh lưu pha có kháng cân điều khiển pha có thay D hình 4.1.6 SCR Hình vẽ 4.4.2 bên lấy áp vAB làm gốc pha, qua thấy v01 (... đến L vô Chuyển mạch gì? Tại gọi chỉnh lưu điều khiển pha biến đổi chuyển mạch lưới Phạm vi thay đổi góc điều khiển pha bao nhieâu Trang 36 / Chỉnh lưu điều khiển pha http://www.khvt.com http://www.ebook.edu.vn