m pha cỏc van nối katụt chung
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU (Bộ biến đổi điện ỏp pha)
(Bộ biến đổi điện ỏp pha)
III.1. Khỏi niệm chung
Trong kỹ thuật điện cú nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện ỏp xoay chiều giỏ trị khụng đổi thành điện ỏp xoay chiều cú giỏ trị điều chỉnh được. Để biến đổi một điện ỏp xoay chiều thành điện ỏp xoay chiều cựng tần số nhưng cú giỏ trị khỏc thỡ phổ biến nhất là dựng mỏy biến ỏp. Mỏy biến ỏp cú ưu điểm là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, độ bền cao và nếu điện nguồn cú dạng hỡnh sin thỡ điện ỏp ra cũng cú dạng hỡnh sin. Tuy vậy mỏy biến ỏp cũng cú nhược điểm là khú thực hiện thay đổi trơn điện ỏp ra, nhất là trong trường hợp cụng suất trung bỡnh và lớn, điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng mỏy biến ỏp trong một số trường hợp. Khi yờu cầu điều chỉnh trơn điện ỏp ra trong phạm vi rộng, đặc biệt là khi cụng suất trung bỡnh và lớn thỡ người ta sử dụng một BBĐ khỏc được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay chiều hay BBĐ điện ỏp pha. BBĐ xoay chiều-xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng cỏc dụng cụ bỏn dẫn cú điều khiển. Nguyờn tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tớnh chất cú điều khiển của cỏc dụng cụ bỏn dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện ỏp nguồn xoay chiều hỡnh sin làm cho điện ỏp ra cú giỏ trị hiệu dụng nhỏ hơn điện ỏp nguồn. BBĐ này cú ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, cú khả năng điều chỉnh trơn điện ỏp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp cụng suất. Nhưng BBĐ này cũng cú một số nhược điểm là độ tin cậy khụng bằng mỏy biến ỏp, thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về cụng suất do khả năng chịu dũng và ỏp của cỏc dụng cụ bỏn dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện ỏp nguồn hỡnh sin thỡ điện ỏp ra khụng cũn dạng hỡnh sin nữa.
Cỏc BBĐ xoay chiều-xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp như sau:
Để điều khiển tốc độ của cỏc động cơ xoay chiều khụng đồng bộ cụng suất nhỏ bằng phương phỏp thay đổi điện ỏp nguồn cung cấp cho mạch stato của động cơ.
Khởi động cỏc động cơ xoay chiều khụng đồng bộ rụ to lũng xúc cụng suất trung bỡnh và lớn.
Cung cấp cho cuộn sơ cấp của mỏy biến ỏp tăng ỏp khi cú yờu cầu điều chỉnh trơn điện ỏp ra, vớ dụ mỏy biến ỏp cung cấp cho bộ nắn điện cao ỏp cấp cho lũ tần số dựng đốn phỏt điện tử loại 3 cực.
III.2. Bộ biến đổi điện ỏp xoay chiều thành xoay chiều một pha III.2.1 Cỏc sơ đồ BBĐ điện ỏp xoay chiều thành điện ỏp
xoay chiều một pha (BBĐ điện ỏp pha một pha)
Trờn cỏc hỡnh 3.1 là cỏc sơ đồ mạch động lực BBĐ điện ỏp pha một pha. Hỡnh 3.1a là sơ đồ dựng 2 Thyristor mắc song song ngược. Hỡnh 3.1b là sơ đồ dựng 2 diode và 2 Thyristor với mục đớch là để cho katụt 2 Thyristor nối chung. Hỡnh 3.1c là sơ đồ dựng
triac, triac là dụng cụ bỏn dẫn cho dũng điện qua cả hai chiều nhưng điều khiển được, về phần động lực thỡ nú tương đương như 2 Thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ cú một điện cực điều khiển nờn kết cấu gọn hơn dựng 2 Thyristor mắc song song ngược cả về mạch lực cũng như mạch tạo tớn hiệu điều khiển. Hỡnh 3.1e là sơ đồ BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha khụng đối xứng, trong sơ đồ này ta sử dụng một diode và một Thyristor nờn khi sơ đồ làm việc trong đường cong điện ỏp trờn tải cú thành phần một chiều, vỡ vậy sơ đồ này chỉ sử dụng để cung cấp cho loại phụ tải sử dụng được cả điện ỏp một chiều và điện ỏp xoay chiều vớ dụ như là dõy điện trở của lũ điện trở.
Để hiểu rừ nguyờn lý
làm việc của BBĐ ta xột nguyờn lý hoạt động của một sơ đồ (vớ dụ: sơ đồ hỡnh 3.1a) trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Giả thiết điện ỏp nguồn như đồ thị hỡnh 3.2a, đồ thị tớn hiệu điều khiển của T1 và T2 như hỡnh 3.2b và hỡnh 3.2c.
Đồ thị điện ỏp nguồn ung; điện ỏp điều khiển cỏc van uđkT1, uđkT2; điện ỏp và dũng trờn tải ut, it được biểu diễn trờn cỏc đồ thị hỡnh 3.1. Điện ỏp trờn phụ tải là điện ỏp xoay chiều khụng hỡnh sin cú giỏ trị hiệu dụng nhỏ hơn điện ỏp nguồn và giỏ trị hiệu dụng điện ỏp trờn tải sẽ càng nhỏ khi gúc càng tăng. Súng hài bậc nhất điện ỏp tải cú tần số bằng tần số nguồn cung cấp .
Gúc trong BBĐ này được gọi là gúc điều chỉnh hay điều khiển.
III.2.2 Dũng điện và điện ỏp trờn phụ tải của BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha
Zt Zt D 3 D 1 T D 2 T D 4 T1 it ung T2 ut Zt a T1 it ung ut T2 D1 D2 b it ut Zt ung c it ut ung d T it ung D ut Zt e Hỡnh 3.1
III.2.2.1 Biểu thức dũng tải tổng quỏt
Để nghiờn cứu dũng và ỏp trờn tải ta sửdụng sơ đồ dựng 2 Thyristor mắc song song ngược như hỡnh 3.3.
Do tớnh đối xứng của sơ đồ nờn ta chỉ cần xột trong thời gian một nửa chu kỳ và suy ra nửa chu kỳ kia. Ta giả thiết cho sơ đồ làm việc với một gúc điều chỉnh , chọn mốc thời gian xột t=0 là thời điểm truyền xung điều khiển đến mở một van của sơ đồ, vớ dụ là mở T1. Lỳc đú do T1 mở nờn uT1=0 và ta cú phương trỡnh vi phõn:
Rt.it + Lt.dit/dt = Um.sin(t+) (3-1)
Để giải phương trỡnh vi phõn (3-1) ta đặt:
i*=it/Im=it/(Um/Rt)=Rt.it/Um; =Lt/Rt (3-2) Trong đú i*: là giỏ trị tương đối dũng phụ tải; Im là giỏ trị cực đại dũng tải khi Lt=0, nú được chọn làm đại lượng cơ bản; là hằng số thời gian mạch tải. Thế (3-2) vào (3-1) ta được phương trỡnh:
i* + .di*/dt = sin(t+) (3-3)
Từ nguyờn lý sơ bộ của BBĐ đó nờu trong mục trước ta cú nhận xột rằng: Nếu dũng qua tải là liờn tục thỡ hai van trong sơ đồ phải luõn phiờn thay nhau làm việc, lỳc đú nếu ta bỏ qua sụt ỏp rất nhỏ trờn Thyristor dẫn dũng thỡ điện ỏp giữa 2 điểm A và B trờn sơ đồ hỡnh 3.3 luụn luụn bằng khụng (vỡ luụn cú một trong hai van dẫn dũng), do vậy điện ỏp trờn tải luụn luụn bằng điện ỏp nguồn. Muốn cú điện ỏp trờn tải khỏc điện ỏp nguồn thỡ phải cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ điện ỏp nguồn, điều này cú nghĩa là dũng qua tải phải giỏn đoạn. Như vậy loại trừ trường hợp điện ỏp ra trựng với điện ỏp nguồn thỡ chế độ làm việc của BBĐ điện ỏp pha là chế độ dũng giỏn đoạn, tức là tại thời điểm bắt đầu mở van thỡ dũng qua tải đang bằng khụng. Giải phương trỡnh (3-3) với điều kiện đầu i*0=i*|( t=0)=0 ta được:
* 2 /
(1/ 1 ( ) ).[sin( ) sin( ). t ]
i t arctg arctg e (3-4) Ta đặt = arctg là gúc lệch pha của súng hài bậc nhất dũng và ỏp trờn tải. Ta đặt = arctg là gúc lệch pha của súng hài bậc nhất dũng và ỏp trờn tải. Chuyển về đơn vị tuyệt đối ta cú:
2 /
[ /( . 1 ( ) )].[sin( ) sin( ). t ]
t m t
i U R t e (3-5)
Đõy là biểu thức tổng quỏt dũng qua phụ tải của BBĐ điện ỏp xoay chiều-xoay chiều một pha. Sau đõy ta sẽ tỡm biểu thức dũng tải trong một số trường hợp đặc biệt.
III.2.2.2 Dũng qua tải khi tải thuần trở
Zt T1 it B A ung T2 ut Hỡnh 3.3
Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt>>Lt thỡ 0 và 0, do vậy biểu thức dũng tải cú dạng đơn giản như sau:
it =(Um/Rt).sin(t+) (3-6)
III.2.2.3 Dũng qua tải khi tải thuần cảm
Trong trường hợp phụ tải thuần cảm Rt=0 hoặc khi Rt<<Lt, lỳc đú ta cú /2 và và do vậy e-t/1. Từ đú ta tỡm được biểu thức dũng tải của
trường hợp này là:
it=(Um/Lt).[sin(t+-/2)-sin(- /2)]=(Um/Lt).[cos-cos(t+)]
(3-7)
Ta cú đồ thị ut và it trong 3 trường hợp phụ tải là thuần trở (a), điện trở điện cảm (b) và khi phụ tải thuần cảm (c) được biểu diễn trờn cỏc đồ thị hỡnh 3.4. Nếu gọi khoảng thời gian dẫn dũng của một van trong một chu kỳ điện ỏp nguồn qui ra gúc độ điện là gúc dẫn của van và ký hiệu là thỡ được biểu diễn như trờn đồ thị. Khi tải thuần trở =-, khi tải thuần cảm thỡ =2(-), cũn trường hợp tải điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thỡ gúc
nằm trong khoảng giới hạn bởi hai trường hợp đặc biệt trờn. **Nhận xột:
Khi phụ tải của BBĐ cú tớnh chất điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thỡ tại thời điểm bằng khụng và bắt đầu đổi dấu của điện ỏp nguồn ung thỡ van làm việc ở giai đoạn trước chưa khoỏ lại mà vẫn tiếp tục dẫn dũng nhờ s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm phụ tải Lt, do vậy mà gúc dẫn của van trong trường hợp này lớn hơn khi tải thuần trở nếu cựng làm việc với một gúc điều khiển như nhau. Nếu ta ký hiệu khoảng thời gian kộo dài sự dẫn dũng của van do s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Lt qui ra gúc độ điện là, thỡ gúc được xỏc định như trờn đồ thị. Do đặc điểm này mà khi đặc tớnh tải của BBĐ thay đổi thỡ giỏ trị hiệu dụng của điện ỏp ra cũng thay đổi theo mặc dự ta vẫn giữ nguyờn giỏ trị gúc điều khiển .
Gúc sẽ tăng dần khi giảm gúc điều khiển và khi thỡ đạt giỏ trị cực đại và bằng . Khi = thỡ gúc dẫn của van =max=, cú nghĩa rằng mỗi van sẽ dẫn dũng một nửa chu kỳ trong một chu kỳ điện ỏp nguồn và như đó nờu thỡ trong trường hợp này điện ỏp ra trờn tải luụn luụn bằng điện ỏp nguồn. Nếu độ dài của xung điều khiển đủ lớn () thỡ khi phỏt tớn hiệu điều khiển mở van với cỏc gúc điều khiển nằm trong khoảng: 0 thỡ gúc dẫn của mỗi van vẫn là: = max= . Điện ỏp và dũng
1 2 ut(nét đậm) it(nét mảnh) ut it ut it ut it t 2 >0 a 1' 1 2 2' t 2 > b 1' 1 2 2' t 2 >/2 c Hỡnh 3.4
điện trờn tải cú dạng hỡnh sin, cỏc van của BBĐ lỳc này đúng vai trũ như một cụng tắc khụng tiếp điểm mà khụng cũn tỏc dụng điều chỉnh điện ỏp trờn tải. Vậy với BBĐ này thỡ khi 0 ta khụng điều chỉnh được điện ỏp ra trờn tải. Để điều khiển được điện ỏp trờn tải thỡ gúc điều khiển của BBĐ phải thoả món điều kiện: 1800 > > .
III.2.2.4 Điện ỏp trờn phụ tải BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Giỏ trị tức thời của điện ỏp trờn tải được xỏc định như sau: khi cú một van nào đú trong hai van dẫn dũng thỡ ut=ung, khi cả hai van đều khoỏ thỡ ut=0. Vậy trong thời gian một chu kỳ nguồn cung cấp (bắt đầu tớnh từ lỳc mở T1) ta cú:
-Từ t=0t=: T1 mở nờn ut=ung.
-Từ t=t=: T1 và T2 đều khoỏ nờn ut=0. -Từ t=t=+: T2 mở nờn ut=ung.
-Từ t=+t=2: T1 và T2 đều khoỏ nờn ut=0.
Giỏ trị hiệu dụng của điện ỏp trờn tải, ký hiệu là Ut, được xỏc định theo biểu thức: 2 2 0 (1/ ) sin ( ) ( ) t m U U t d t (3-8) Trong đú:
Um là biờn độ điện ỏp nguồn cung cấp cho BBĐ. Tuỳ thuộc vào đặc tớnh cũng như giỏ trị phụ tải và giỏ trị ta sẽ xỏc định được giỏ trị gúc và thay vào (2-8) ta sẽ tỡm được giỏ trị hiệu dụng điện ỏp trờn tải. Giỏ trị tương đối Ut
*
=Ut/Ung theo gúc điều khiển biểu diễn bằng đồ thị hỡnh 3.5.
Đường 1 là khi tải thuần trở; đường 2 là khi tải điện trở-điện cảm cú giỏ trị Lt và Rt sao cho arctg(Lt/Rt) = , cũn đường 3 là trường hợp tải thuần cảm.
III.2.3 Tớnh chọn van cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Việc chọn và kiểm tra cỏc Thyristor cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều cũng tương tự như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu) đó nghiờn cứu trong chương trước. Đối với cỏc van trong BBĐ này ta cú:
Giỏ trị trung bỡnh dũng qua van:
0 (1/ 2 ) ( ) ( ) Ttb t I i t d t (2-9)
Giỏ trị hiệu dụng dũng qua van
0 (1/ 2 ) ( ) ( ) T t I i t d t (3-10) Ut* 1,00 0,75 0,50 0,25 0 /4 /2 3/4 0,00 1 2 3 Hỡnh 3.5
Hỡnh 3.6 T1 it B C1 R 1 A ung ut Zt T2 C2 R2
Khi tớnh chọn van ta phải lấy giỏ trị dũng qua van ở chế độ nặng nề nhất, tức tương ứng khi gúc dẫn của van là cực đại ( = max = ), lỳc đú giỏ trị trung bỡnh và hiệu dụng cực đại của dũng cỏc van là:
ITtbmax=( 2/).Imax; ITmax=Imax/ 2
Trong đú: Imax là giỏ trị hiệu dụng cực đại của dũng tải khi quỏ tải cho phộp với giả thiết Ut
*=1 và với một tải cụ thể đó cho.
Điện ỏp ngược lớn nhất trờn van bằng biờn độ điện ỏp nguồn xoay chiều : UTthmax = UTngmax=Um= 2 .Ung .
Cỏc điều kiện chọn và kiểm tra cũng tương tự như đó nờu trong chương một.
III.2.4 Bảo vệ BBĐ xoay chiều-xoay chiều Cỏc BBĐ xoay chiều-xoay chiều khi làm việc cũng cú thể xẩy ra quỏ dũng và ỏp như cỏc BBĐ xoay chiều-một chiều, vỡ vậy ta cũng phải trang bị cỏc bảo vệ như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều đó xột. Trong BBĐ này để bảo vệ quỏ ỏp cho 2 van mắc song song ngược ta dựng một mạch R-C mắc song song với chỳng (hỡnh 3.6), ngoài ra trong một số trường hợp cú thể dựng thờm mạch R-C mắc song song với nguồn cung cấp.
III.3. Bộ biến đổi điện ỏp xoay chiều 3 pha
Cỏc BBĐ điện ỏp xoay chiều-xoay chiều 3 pha tuỳ thuộc vào phụ tải và dụng cụ sử dụng mà cú một số dạng khỏc nhau như trờn cỏc sơ đồ hỡnh 3.7. Sơ đồ hỡnh 3.7a và
hỡnh 3.7b là sơ đồ dựng 3 cặp Thyristor mắc song song ngược cú dõy trung tớnh và khụng cú dõy trung tớnh (cũng cú thể nối phụ tải dạng tam giỏc). Hỡnh 3.7c và d là cỏc sơ đồ dựng triac cú và khụng cú dõy trung tớnh. Hỡnh3.7e,g là một số sơ đồ BBĐ khụng đối xứng, cỏc sơ đồ này chỉ dựng để điều chỉnh điện ỏp cung cấp cho cỏc phụ tải vừa cú thể dụng nguồn xoay chiều đồng thời cũng cú sử dụng nguồn cung cấp một chiều (vớ dụ tải điện trở).
Nguyờn lý hoạt động của sơ đồ BBĐ 3 pha xoay chiều-xoay chiều cú dõy trung tớnh hoàn toàn giống như nguyờn lý hoạt động của 3 BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha làm việc độc lập với phụ tải từng pha. Cũn nguyờn lý hoạt động của sơ đồ khụng cú trung tớnh hoặc trường hợp phụ tải nối dạng tam giỏc thỡ cú phức tạp hơn. Trong giới hạn chương trỡnh ta khụng xột chi tiết hoạt động của cỏc sơ đồ này. Nguyờn lý hoạt động cỏc sơ đồ trờn cú thể xem trong cỏc tài liệu tham khảo.
III.4. Mạch tạo xung điều khiển
Khỏi niệm chung:
Cũng như BBĐ xoay chiều-một chiều, trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều ta cũng sử dụng cỏc van bỏn dẫn cú điều khiển. Vỡ vậy để cho BBĐ cú thể làm việc theo yờu cầu thỡ cũng phải sử dụng mạch phỏt tớn hiệu điều khiển cho cỏc van. Dự là sơ đồ dựng 2 Thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dựng triac thỡ trong một chu kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra hai tớn hiệu điều khiển lệch nhau một gúc độ điện là 1800
tương tự như tớn hiệu điều khiển cỏc van trong sơ đồ chỉnh lưu hỡnh tia 2 pha. Do vậy về lý thuyết thỡ cú thể sử dụng tất cả cỏc mạch phỏt xung điều cho bộ chỉnh lưu hỡnh tia 2 pha để phỏt xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha,và mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha cú thể dựng để phỏt xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều 3 pha.Tuy nhiờn cũng cần lưu ý một đặc tớnh quan trọng là:
Đối với sơ đồ chỉnh lưu thỡ sự đối xứng của xung điều khiển cỏc van cũng quan trọng nhưng khụng yờu cầu khắt khe lắm. Nhưng đối với BBĐ xoay chiều-xoay chiều thỡ xung điều khiển cỏc van, đặc biệt là của hai van song song ngược trong cựng một