m pha cỏc van nối katụt chung
BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ĐIỆN ÁP
(Bộ biến đổi điện ỏp một chiều thành một chiều)
IV.1 Nguyờn lý biến đổi và cỏc phương phương phỏp biến đổi điện ỏp trung bỡnh của bộ biến đổi đặt lờn tải
Trong kỹ thuật điện cũng cú nhiều trường hợp phải thực hiện quỏ trỡnh biến đổi một điện ỏp một chiều khụng đổi thành một điện ỏp một chiều khỏc cú giỏ trị điều chỉnh được trong phạm vi rộng. Để thực hiện quỏ trỡnh biến đổi này người ta đó từng sử dụng nhiều phương phỏp khỏc nhau. Phương phỏp biến đổi cho hiệu suất cao, dựng được trong giải cụng suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện ỏp ra một cỏch thuận tiện nhất là sử dụng cỏc BBĐ điện ỏp một chiều thành điện ỏp một chiều, thường gọi tắt là BBĐ một chiều-một chiều và cũng cũn được gọi là xung điện ỏp hoặc trong một số tài liệu khỏc người ta gọi là bộ băm điện ỏp. BBĐ một chiều-một chiều là thiết bị biến đổi điện năng ứng dụng cỏc dụng cụ bỏn dẫn cú điều khiển. Nguyờn tắc hoạt động của BBĐ được minh hoạ bằng sơ đồ nguyờn tắc hỡnh 4.1.
Trong sơ đồ này khoỏ đúng cắt K đặc trưng cho BBĐ một chiều-một chiều; phụ tải gồm cỏc phần tử: s.đ.đ phụ tải Et (cũn được gọi là sức phản điện động), điện trở tải Rt và điện cảm phụ tải Lt (thường gồm tự cảm của tải, vớ dụ như điện cảm cuộn dõy phần ứng động cơ một chiều, và điện cảm của cuộn khỏng đưa thờm vào mạch để san bằng dũng tải); diode ngược D0 (cũn gọi là diode khụng). Điện ỏp Ud là điện ỏp một chiều thường cú giỏ trị khụng đổi dựng để cung cấp cho BBĐ. Dũng qua khoỏ đúng cắt K đồng thời là dũng nguồn ký hiệu là id. Dũng qua điốt ngược ký hiệu là iDo. dũng và ỏp trờn tải ký hiệu là it và ut. Điện ỏp trờn D0 là uDo = -ut giống như diode khụng trong sơ đồ chỉnh lưu.
Nguyờn tắc hoạt động của BBĐ như sau: Người ta điều khiển đúng-cắt khoỏ K theo một chu kỳ nào đú. Vớ dụ trong khoảng từ t=0 đến t=t1 thỡ đúng K, trờn tải sẽ được đặt điện ỏp bằng Ud và cú dũng từ nguồn qua khoỏ K kớn và qua tải. Phương trỡnh vi phõn để xỏc định dũng qua tải trong giai đoạn này là:
Rt.it+Lt.dit/dt+Et=Ud (4- 1) t K + ut it ut(nét liền) it(nét đứt) id it Tck tc Tck tđ ut 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 iDo D0 Rt Lt Ud Ud Et - a b Hỡnh 4.1
Dũng qua tải sẽ tăng từ giỏ trị Imin đến bằng Imax tại t=t1. Trờn D0 cú điện ỏp ngược và D0 khụng làm việc. Tại thời điểm t=t1 người ta thực hiện cắt khoỏ K, điện ỏp nguồn một chiều Ud được tỏch khỏi mạch tải, s.đ.đ. tự cảm xuất hiện trong điện cảm phụ tải Lt sẽ làm mở van D0 và dũng tải sẽ được duy trỡ qua D0. Phụ thuộc vào chế độ làm việc cũng như thụng số cỏc phần tử phụ tải mà cú thể xẩy ra 2 chế độ làm việc tương tự như với sơ đồ chỉnh lưu. Nếu giỏ trị Lt đủ lớn, giỏ trị dũng tải khụng quỏ nhỏ thỡ năng lượng tớch luỹ trong Lt ở giai đoạn K đúng đủ để duy trỡ dũng tải đến thời điểm đúng lại khoỏ K (t=t2), ta cú chế độ dũng điện tải liờn tục (dạng dũng tải trường hợp này biểu diễn trờn đồ thị hỡnh 4.1b), và dũng tải giai đoạn này sẽ giảm dần từ Imax xuống bằng Imin tại t=t2. Trường hợp do Lt quỏ nhỏ, hoặc do dũng tải quỏ nhỏ (tải nhỏ hoặc khụng tải) thỡ năng lượng tớch luỹ trong Lt khụng đủ để duy trỡ dũng tải đến thời điểm đúng lại khoỏ K, ta cú chế độ dũng điện tải giỏn đoạn, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dũng tải giỏn đoạn thỡ dũng tải khi cắt K sẽ giảm dần đến bằng khụng tại một thời điểm t1' nào đú (t1'<t2). Trong giai đoạn t=t1t=t1' thỡ D0 dẫn dũng, bỏ qua sụt ỏp trờn diode mở ta cú ut = -uDo= 0. Từ t=t1' đến t=t2 thỡ dũng tải bằng khụng, van D0 khoỏ, điện ỏp trờn tải giai đoạn này là: ut=Et. Phương trỡnh vi phõn để tỡm dũng tải khi van D0 dẫn dũng là:
Rt.it+Lt.dit/dt+Et=0 (4-2) Thụng thường đối với bộ biến đổi này thỡ người ta phải tớnh toỏn sao cho khi BBĐ làm việc bỡnh thường (dũng tải từ 0,2 dũng tải định mức trở lờn) thỡ BBĐ làm việc ở chế độ dũng liờn tục. Do vậy ta chủ yếu nghiờn cứu sự làm việc của BBĐ ở chế độ dũng tải liờn tục.
Tại t=t2 người ta lại đúng khoỏ K nờn trờn tải lại được đặt điện ỏp bằng Ud và lại cú dũng từ nguồn Ud đi vào tải, dũng tải lại tăng, van D0 lại bị đặt điện ỏp ngược và khoỏ lại. Cỏc chu kỳ tiếp theo sự hoạt động của sơ đồ tương tự như đó xột.
Từ đồ thị điện ỏp trờn tải ở chế độ dũng điện tải liờn tục ta cú giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp trờn tải được xỏc định bằng biểu thức:
0 (1/ ) d t d d tb ck t ck U t U T u dt T (4-3) Trong đú : tđ là thời gian một lần đúng khoỏ K, tc là thời gian một lần cắt của khoỏ K, Tck là thời gian một chu kỳ đúng cắt của khoỏ K. Nếu ta đặt = tđ/Tck được gọi là độ rộng xung; f=1/Tck là tần số xung thỡ biểu thức điện ỏp trung bỡnh trờn tải cú thể viết:
Utb = .Ud = Ud.tđ.f (4-3a) Xuất phỏt từ cỏc biểu thức (4-3) và (4-3a) ta thấy rằng cú thể điều chỉnh giỏ trị trung bỡnh điện ỏp trờn tải bằng một số phương phỏp sau:
Giữ nguyờn thời gian một chu kỳ đúng cắt Tck=tđ+tc và thay đổi thời gian đúng tđ, tức là thay đổi độ rộng xung : Được gọi là phương phỏp điều chỉnh xung rộng.
Giữ nguyờn thời gian đúng tđ, thay đổi thời gian chu kỳ Tck, tức là thay đổi tần số đúng cắt f: Được gọi là phương phỏp điều chỉnh xung tần.
Thay đổi cả thời đúng tđ và tần số đúng cắt f: Được gọi là phương phỏp điều chỉnh xung rộng-tần.
Để thực hiện chức năng khoỏ đúng cắt K ta cú thể sử dụng cỏc dụng cụ bỏn dẫn cú điều khiển, cỏc dụng cụ được sử dụng chủ yếu là Transitor và Thyristor.
Cỏc khoỏ bằng Transitor cú kết cấu gọn hơn do đặc tớnh làm việc của Transitor là: mở khi cú tớn hiệu điều khiển đủ yờu cầu và khoỏ khi mất tớn hiệu điều khiển hoặc cú một tớn hiệu ngược chiều nhỏ ở cực gốc (được xem như là cực điều khiển). Cỏc khoỏ loại này cú ưu điểm là dễ khống chế nhưng cũng cú nhược điểm là cụng suất cũn bị hạn chế.
Cỏc khoỏ đúng cắt bằng Thyristor cú nhược điểm là kết cấu phức tạp hơn do chỗ Thyristor mở khi cú tớn hiệu điều khiển nhưng lại khụng khoỏ được bằng tớn hiệu điều khiển ngược chiều (hiện nay cũng cú một số Thyristor khoỏ được bằng tớn hiệu điều khiển ngược chiều nhưng thường là cụng suất nhỏ và chưa thụng dụng) mà nguồn cung cấp cho BBĐ là nguồn một chiều. Vỡ vậy, đối với khoỏ đúng cắt bằng Thyristor thỡ cần phải cú thờm một số thiết bị phụ để chuyển mạch Thyristor mà ta thường gọi là thiết bị chuyển mạch hay chuyển đổi.
IV.1.1 Dũng và ỏp trờn phụ tải của Bộ biến đổi một chiều-mộtchiều IV.1.1.1 Biểu thức dũng tải tổng quỏt dũng tải trong chế độ xỏc lập
a/- Giai đoạn khoỏ K đúng
Từ phương trỡnh (4-1) chuyển sang dạng toỏn tử Laplace ta cú:
p.Iđ(p) - iđ(0) + a.Iđ(p) = (Ud -Et)/p (4-4) Trong đú: a=Rt/Lt; p là toỏn tử Laplace; Iđ(p) là ảnh Laplace của dũng tải trong giai đoạn K đúng itđ; iđ(0) là giỏ trị dũng tải tại thời điểm đầu của mỗi lần đúng khoỏ K (chọn mốc t=0 tại thời điểm đúng K), khi BBĐ làm việc ở chế độ xỏc lập thỡ giỏ trị tại thời điểm đầu của khoảng K đúng bằng giỏ trị dũng tải tại thời điểm cuối của khoảng K cắt và ta ký hiệu là Imin, tức là: iđ(0) = Imin .
Giải (4-4) ta được :
Iđ(p)=(Ud-Et)/[pLt(p+a)]+Imin/(p+a) =a(Ud-Et)/[pRt(p+a)]+Imin/(p+a) Chuyển sang hàm gốc ta tỡm được biểu thức dũng tải giai đoạn khoỏ K đúng là:
itđ=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-at) + Imine-at (4-5)
b/- Giai đoạn khoỏ K cắt
Trong giai đoạn K cắt thỡ D0 dẫn dũng, ta cú phương trỡnh để xỏc định dũng tải là phương trỡnh (4-2). Chuyển phương trỡnh (4-2) sang dạng toỏn tử Laplace với mốc thời gian xột t=0 là thời điểm bắt đầu cắt khoỏ K:
p.Ic(p) - ic(0) + a.Ic(p) = -Et/p (4-6) Trong đú: a=Rt/Lt; p là toỏn tử Laplace; Ic(p) là ảnh Laplace của dũng tải trong giai đoạn K cắt itc; ic(0) là giỏ trị dũng tải tại thời điểm đầu của mỗi lần cắt khoỏ K, khi
BBĐ làm việc ở chế độ xỏc lập thỡ giỏ trị tại thời điểm đầu của khoảng K cắt bằng giỏ trị dũng tải tại thời điểm cuối của khoảng K đúng và ta ký hiệu là Imax: ic(0)=Imax.
Giải (4-6) ta được :
Ic(p)= -Et/[pLt(p+a)]+Imax/(p+a) =-a.Et/[pRt(p+a)]+Imax/(p+a)
Chuyển sang hàm gốc ta tỡm được biểu thức dũng tải giai đoạn khoỏ K cắt là: itc=-(Et/Rt).(1-e-at) + Imaxe-at (4-7)
IV.1.2 Biểu thức dũng tải toàn chu kỳ đúng cắt
Cỏc biểu thức (4-5) và (4-7) là biểu thức dũng tải trong 2 giai đoạn của một chu kỳ đúng cắt khoỏ K, trong cỏc biểu thức này cũn cú Imin và Imax là cỏc giỏ trị chưa biết. Vậy để cú thể tỡm được giỏ trị dũng tải ta xỏc định cỏc giỏ trị Imin và Imax .
Như đó nờu, trong chế độ xỏc lập, nếu dũng tải là liờn tục thỡ ta cú: Imin bằng giỏ trị dũng tải tại thời điểm cuối khoảng cắt của K, tức là khi cho t=tc đối với biểu thức (4-7); cũn Imax là giỏ trị dũng tải cuối khoảng đúng của K, tương ứng là giỏ trị biểu thức (4-5) khi cho t=tđ. Vậy ta cú:
Imax =[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ ) + Imin e-atđ (4-8a) Imin = -(Et/Rt).(1-e-atc ) + Imax e-atc (4-8b) Ta đặt:
A=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ );B=-(Et/Rt).(1-e-atc ) ;C = e-atđ ;D = e-atc (4-9) Từ (4-8a),(4-8b) và (4-9) ta cú:
Imax -C.Imin =A (4-10a) Imin -D.Imax =B (4-10b) Giải (3-10) ta tỡm được:
Imax=A+C(AD+B)/(1-DC); Imin = (AD+B)/(1-DC) (4- 11)
Vậy tập hợp cỏc biểu thức (4-5), (4-7) và (4-11) ta cú biểu thức tổng quỏt dũng tải trong một chu kỳ đúng cắt khoỏ K:
itđ = [(Ud-Et)/Rt].(1-e-at) + Imine-at itc = -(Et/Rt).(1-e-at) + Imaxe-at Imax=A+C(AD+B)/(1-DC) Imin = (AD+B)/(1-DC)
**Trường hợp dũng tải giỏn đoạn ta cú Imin=0,vậy nờn:
itđ = [(Ud-Et)/Rt].(1-e-at) (4-12) Imax=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ)
và do vậy: itc=-(Et/Rt).(1-e-at)+[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ).e-at (4-13) Cỏc biểu thức (4-12),(4-13) là biểu thức dũng tải ở chế độ dũng điện tải giỏn đoạn. Nếu gọi thời gian van D0 dẫn dũng trong một chu kỳ đúng cắt khoỏ K là t0 thỡ t0 cú thể tỡm bằng cỏch thay t=t0 vào biểu thức (4-13) cho vế trỏi biểu thức bằng khụng (t0<tc).
T1T2 T2 + Ud - iT1 it ic iDo C R t iT2 D0 Lt L ut D Et a Rt Lt Et + - T1 T2 Ud iT1 it ic iDo C iT2 D0 L1 ut D2 b L2 D2 Hình 4.2 T1 T2 + Ud - iT1 it iDo Rt iT2 D0 Lt ut Et L D c ic C Lt Et Rt T1 T2 + Ud - iT1 it iDo D0 ut ic C d T3 T4 T5
IV.1.3 Điện ỏp trờn tải
IV.1.3.1Chế độ dũng tải liờn tục
Như đó nờu khi dũng tải liờn tục thỡ điện ỏp tức thời trờn tải sẽ là:
ut=Ud khi K đúng và ut=0 khi K cắtvỡ khi đú D0 làm việc. Điện ỏp trung bỡnh (thành phần một chiều) trờn phụ tải :
Utb = .Ud = Ud.tđ.f
IV.1.3.2 Chế độ dũng tải giỏn đoạn
Trong trường hợp dũng tải giỏn đoạn thỡ giai đoạn khoỏ K đúng điện ỏp tải vẫn khụng cú gỡ thay đổi so với chế độ dũng tải liờn tục, tức là khi K đúng thỡ ut=Ud. Giai đoạn khoỏ K cắt được phõn làm hai gian đoạn nhỏ: từ lỳc bắt đầu cắt K cho đến khi dũng tải vừa giảm xuống bằng khụng (t=0t=t0) lỳc này van D0 làm việc, ta cú: ut=0; giai đoạn nhỏ tiếp theo là từ lỳc D0 khoỏ (t=t0) cho đến thời điểm đúng lại khoỏ K ở chu kỳ đúng cắt tiếp theo (trong khoảng t=t0t=tc): ut=Et.
Vậy ta cú thể xỏc định biểu thức tớnh điện ỏp trung bỡnh trờn tải trong chế độ dũng điện tải giỏn đoạn như sau:
0 0 0 0 0 1 1 1 . . . ( ). ck d c T t t t tb t d t d d c t ck ck ck U u dt U dt E dt t U t t E T T T IV.2.
Một số sơ đồ của bộ biến đổi bằng Thyristor IV.2.1 Một số sơ đồ mạch động lực
Trờn hỡnh 4.2 là cỏc sơ đồ BBĐ một chiều-một chiều sử dụng khoỏ đúng cắt bằng cỏc Thyristor. Trong tất cả cỏc sơ đồ thỡ: T1 là Thyristor chớnh, nú đúng vai trũ khoỏ đúng cắt K: khi T1 mở tương đương với khoỏ K kớn mạch (K đúng), cũn khi T1 khoỏ tương
Hỡnh 4.3 T1 T2 + Ud - uT1 iT1 it iC uC iL iDo C R t iT2 D0 Lt L ut D Et
đương với khoỏ K hở mạch (K cắt): phụ tải của BBĐ gồm Et,Rt,Lt; D0 là diode ngược; cỏc phần tử cũn lại trong cỏc sơ đồ là cỏc phần tử chuyển mạch (chuyển đổi), nú được sử dụng để khoỏ van T1 tại những thời điểm cần thiết. Cỏc phần tử chuyển mạch của sơ đồ 1 (hỡnh 4.2a) và sơ đồ 3 (hỡnh 4.2c) là tụ điện C, điện cảm L, diode D và Thyristor phụ T2. Cỏc phần tử chuyển mạch của sơ đồ 2 (hỡnh 4.2b) gồm tụ điện C, cỏc điện cảm L1, L2, cỏc diode D1, D2 và Thyristor phụ T2. Cỏc phần tử chuyển mạch của sơ đồ 4 (hỡnh 4.2d) gồm tụ điện C và cỏc Thyristor phụ T2, T3, T4, T5 .
IV.2.1.1 Nguyờn lý làm việc của BBĐ một chiều-một chiều sử dụng khoỏ đúng cắt bằng Thyristor
IV.2.1.2 Nguyờn lý làm việc sơ đồ 1
Ta biểu diễn lại sơ đồ 1 trờn hỡnh 4.3, trong sơ đồ ta ký hiệu dũng và ỏp trờn một số phần tử của sơ đồ: uC ,iC là điện ỏp và dũng điện trờn tụ điện chuyển mạch C; uT1, iT1 là điện ỏp và dũng điện mạch anụt-katụt Thyristor chớnh T1; ut, it, iDo là điện ỏp trờn tải, dũng qua tải và diode ngược D0 .
Muốn cho sơ đồ khởi động và làm việc bỡnh thường thỡ điều bắt buộc
trước tiờn là phải nạp điện đủ cho tụ C trước khi khởi động. Giỏ trị điện ỏp nạp tụ đủ là Ud, cũn cực tớnh điện ỏp nạp ban đầu cho tụ cú thể bất kỳ. Để nạp điện cho tụ C ta cú thể sử dụng ngay điện ỏp Ud cung cấp cho BBĐ hoặc cú thể sử dụng một nguồn điện khỏc bất kỳ cú giỏ trị phự hợp, thường thỡ ta sử dụng ngay điện ỏp Ud để nạp tụ.
Việc nạp điện cho tụ C bằng nguồn Ud thường được thiết kế một cỏch tự động như sau:
Khi thiết kế lắp đặt BBĐ người ta nối thẳng mạch điện cực điều khiển của T2 đến đầu ra mạch phỏt xung mở cho T2. Điện cực điều khiển của T1 thỡ nối đến đầu ra mạch phỏt xung mở cho T1 qua tiếp điểm thường mở của rơ le khởi động BBĐ. Khi đúng nguồn cung cấp cho mạch động lực thỡ đồng thời mạch phỏt xung điều khiển cũng sẽ được cấp nguồn và làm việc. Nếu ta giả thiết điện ỏp trờn tụ đang bằng khụng, tại một thời điểm nào đú (vớ dụ là tại t=0) ta đúng nguồn cung cấp cho BBĐ để chuẩn bị làm việc thỡ tại thời điểm đú mạch điều khiển của BBĐ (trong phần này ta chưa nghiờn cứu đến phần mạch điều khiển và ta tạm giả thiết là mạch điều khiển BBĐ làm việc bỡnh thường đỳng theo yờu cầu đặt ra) cũng được cấp nguồn và làm việc, do vậy tại một thời điểm nào đú lõn cận ngay sau t=0 trờn T2 sẽ xuất hiện tớn hiệu điều khiển thứ nhất của nú. Lỳc này điện ỏp trờn T2 đang thuận vỡ uC = 0 nờn khi cú tớn hiệu điều khiển T2 sẽ mở và xuất hiện dũng nạp cho tụ theo đường (+Ud) - C -T2 - phụ tải - (-Ud) và điện ỏp tụ sẽ tăng dần lờn. Khi điện ỏp tụ đạt giỏ trị Ud với cực tớnh dương ở bản cực phớa trờn (tức là uC=Ud) thỡ dũng nạp tụ bằng khụng, cú nghĩa rằng dũng qua T2 cũng bằng khụng và T2 tự khoỏ lại. Do chưa khởi động BBĐ nờn mạch điện cực điều
khiển T1 chưa kớn, van T1 chưa được cấp xung điều khiển và chưa làm việc, cũn T2 nếu cú tiếp cỏc xung điều khiển thỡ vẫn khoỏ do tụ C đó nạp đầy dẫn đến khụng cú điện ỏp thuận trờn T2, vỡ vậy điện ỏp tụ C sẽ được giữ nguyờn giỏ trị và cực tớnh như vậy để chuẩn bị quỏ trỡnh khoỏ T1 khi ta cho sơ đồ làm việc.
Khởi động và đưa BBĐ vào làm việc:
Tại t=t0 ta ấn nỳt điều khiển khởi động BBĐ, lỳc đú rơ le khởi động sẽ tỏc động và làm kớn mạch điện cực điều khiển T1 với mạch phỏt xung. Tại một thời điểm nào đú sau t0 (t=t0’) thỡ trờn điện cực điều khiển T1 xuất hiện xung điều khiển đầu tiờn, do