C. Nội dung lý thuyết
(Bộ biến ủổi ủiện ỏp pha)
IIỊ1. Khỏi niệm chung
Trong kỹ thuật ủiện cú nhiều trường hợp cần phải biến ủổi một ủiện ỏp xoay chiều giỏ trị khụng ủổi thành ủiện ỏp xoay chiều cú giỏ trị ủiều chỉnh ủược. để biến ủổi một ủiện ỏp xoay chiều thành ủiện 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 ủiểm là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, ủộ bền cao và nếu ủiện nguồn cú dạng hỡnh sin thỡ ủiện ỏp ra cũng cú dạng hỡnh sin. Tuy vậy mỏy biến ỏp cũng cú nhược ủiểm là khú thực hiện thay ủổi trơn ủiện ỏp ra, nhất là trong trường hợp cụng suất trung bỡnh và lớn, ủiều này cũng hạn chế khả năng sử dụng mỏy biến ỏp trong một số trường hợp. Khi yờu cầu ủiều chỉnh trơn ủiện ỏp ra trong phạm vi rộng, ủặc biệt là khi cụng suất trung bỡnh và lớn thỡ người ta sử dụng một BBđ khỏc ủược gọi là BBđ xoay chiều-xoay chiều hay BBđ ủiện ỏp phạ BBđ xoay chiều-xoay chiều là thiết bị biến ủổi ủiện năng sử dụng cỏc dụng cụ bỏn dẫn cú ủiều khiển. Nguyờn tắc hoạt ủộng của BBđ là sử dụng tớnh chất cú ủiều khiển của cỏc dụng cụ bỏn dẫn ủể cắt ủi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của ủiện ỏp nguồn xoay chiều hỡnh sin làm cho ủiện ỏp ra cú giỏ trị hiệu dụng nhỏ hơn ủiện ỏp nguồn. BBđ này cú ưu ủiểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, cú khả năng ủiều chỉnh trơn ủiện ỏp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp cụng suất. Nhưng BBđ này cũng cú một số nhược ủiểm là ủộ tin cậy khụng bằng mỏy biến ỏp, thiết bị ủiều khiển tương ủối 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 ủặc biệt là khi ủiện ỏp nguồn hỡnh sin thỡ ủiện ỏp ra khụng cũn dạng hỡnh sin nữạ
Cỏc BBđ xoay chiều - xoay chiều ủược ứng dụng trong một số trường hợp như sau:
để ủiều khiển tốc ủộ của cỏc ủộng cơ xoay chiều khụng ủồng bộ cụng suất nhỏ bằng phương phỏp thay ủổi ủiện ỏp nguồn cung cấp cho mạch stato của ủộng cơ.
Khởi ủộng cỏc ủộng cơ xoay chiều khụng ủồng 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 ủiều chỉnh trơn ủiện ỏp ra, vớ dụ mỏy biến ỏp cung cấp cho bộ nắn ủiện cao ỏp cấp cho lũ tần số dựng ủốn phỏt ủiện tử loại 3 cực.
IIỊ2.1 Cỏc sơ ủồ BBđ ủiện ỏp xoay chiều thành ủiện ỏp xoay chiều một pha (BBđủiện ỏp pha một pha)
Trờn cỏc hỡnh 3.1 là cỏc sơ ủồ mạch ủộng lực BBđ ủiện ỏp pha một phạ Hỡnh
3.1a là sơ ủồ dựng 2 Thyristor mắc song song ngược. Hỡnh 3.1b là sơ ủồ dựng 2 diode và 2 Thyristor với mục ủớch là ủể cho katụt 2 Thyristor nối chung. Hỡnh 3.1c là sơ ủồ dựng triac, triac là dụng cụ bỏn dẫn cho dũng ủiện qua cả hai chiều nhưng ủiều khiển ủược, về phần ủộng lực thỡ nú tương ủương như 2 Thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ cú một ủiện cực ủiều khiển nờn kết cấu gọn hơn dựng 2 Thyristor mắc song song ngược cả về mạch lực cũng như mạch tạo tớn hiệu ủiều khiển. Hỡnh 3.1e là sơ ủồ BBđ xoay chiều-xoay chiều 1 pha khụng ủối xứng, trong sơ ủồ này ta sử dụng một diode và một Thyristor nờn khi sơ ủồ làm việc trong ủường cong ủiện ỏp trờn tải cú thành phần một chiều, vỡ vậy sơ ủồ này chỉ sử dụng ủể cung cấp cho loại phụ tải sử dụng ủược cả ủiện ỏp một chiều và ủiện ỏp xoay chiều vớ dụ như là dõy ủiện trở của lũ ủiện trở.
để hiểu rừ nguyờn lý làm việc của BBđ ta xột nguyờn lý hoạt ủộng của một sơ ủồ (vớ dụ: sơ ủồ hỡnh 3.1a) trong trường hợp ủơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Giả thiết ủiện ỏp nguồn như ủồ thị hỡnh 3.2a, ủồ thị tớn hiệu ủiều khiển của T1 và T2 như hỡnh 3.2b và hỡnh 3.2c. Ta cú: Từ ωt=0 ủến ωt<ν1=ψ thỡ ung>0 và ủặt ủiện ỏp thuận lờn T1 và ủặt ủiện ỏp ngượclờn T2,do vậy van T2 phải khoỏ nhưng T1 cũn chưa mở vỡ chưa cú tớn hiệu ủiều khiển. Như vậy trong khoảng này dũng qua tải bằng khụng nờn ủiện ỏp trờn tải cũng bằng khụng (ut=Rt.it, trong ủú Rt là ủiện trở
Zt Zt D D T D T D 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
phụ tải), ủiện ỏp trờn cỏc van: uT1=ung và uT2=-ung. Tại ωt=ν1=ψ xuất hiện xung ủiều khiển trờn ủiện cực ủiều khiển của T1, do vậy T1 cú ủủ 2 ủiều kiện ủể mở nờn T1 mở. Van T1 mở, dẫn ủến sụt ỏp trờn nú giảm về bằng khụng,ta cú ut=ung và xuỏt hiện dũng qua tải it=ut/Rt=ung/Rt, lỳc này uT1=uT2=0.
đến ωt=π thỡ ung=0 và bắt ủầu chuyển sang õm, dũng qua T1 và tải cũng bằng khụng và cú xu hướng ủổi chiều nờn T1 sẽ khoỏ lại (do van khụng cho dũng ủi theo chiều ngược). Lỳc này T2 cũng chưa mở nờn dũng tải lại bằng khụng và ủiện ỏp trờn tải cũng bằng khụng.
Tại ωt=ν2=π+ψ xuất hiện tớn hiệu ủiều khiển trờn ủiện cực ủiều khiển của T2 và van T2 sẽ mở do ủang cú ủiện ỏp thuận, ủiện ỏp trờn T2 giảm về bằng khụng nờn ut=ung, lại cú dũng tải it=ut/Rt=ung/Rt .
đến ωt=2π thỡ ung =0 và bắt ủầu chuyển sang dương, nú sẽ tỏc ủộng ngược chiều dũng qua T2. Lỳc ủú it cũng bằng khụng và cú xu hướng ủổi chiều nhưng T2 khụng cho dũng ủi theo chiều ngược lại nờn T2 khoỏ lại mà T1 cũn chưa mở vỡ chưa cú tớn hiệu ủiều khiển nờn dũng tải lại bằng khụng và ut=Rt.it=0.
đến ωt=ν2=2π+ψ thỡ van T1 lại cú tớn hiệu ủiều khiển, T1 lại mở và sự làm việc của sơ ủồ diễn ra giống như chu kỳ vừa xột.
đồ thị ủiện ỏp nguồn ung; ủiện ỏp ủiều khiển cỏc van uủkT1, uủkT2; ủiện ỏp và dũng trờn tải ut, it ủược biểu diễn trờn cỏc ủồ thị hỡnh 3.1. điện ỏp trờn phụ tải là ủiện ỏp xoay chiều khụng hỡnh sin cú giỏ trị hiệu dụng nhỏ hơn ủiện ỏp nguồn và giỏ trị hiệu dụng ủiện ỏp trờn tải sẽ càng nhỏ khi gúc ψ càng tăng. Súng hài bậc nhất ủiện ỏp tải cú tần số bằng tần số nguồn cung cấp .
Gúc ψ trong BBđ này ủược gọi là gúc ủiều chỉnh hay ủiều khiển.
IIỊ2.2 Dũng ủiện và ủiện ỏp trờn phụ tải của BBđ xoay chiều-xoay chiều 1 pha IIỊ2.2.1 Biểu thức dũng tải tổng quỏt
để nghiờn cứu dũng và ỏp trờn tải ta sửdụng sơ ủồ dựng 2 Thyristor mắc song song ngược như hỡnh 3.3.
a b c d ωt ω t ω t ut it 2π 0 0 π 0 0 uđkT 2π π ψ 2π π uđkT2 ν1 ν2 ν3 ung ω t 2π π ψ Hỡnh 3.2
Do tớnh ủối xứng của sơ ủồ nờn ta chỉ cần xột trong thời gian một nửa chu kỳ và suy ra nửa chu kỳ kiạ Ta giả thiết cho sơ ủồ làm việc với một gúc ủiều chỉnh ψ, chọn mốc thời gian xột ωt=0 là thời ủiểm truyền xung ủiều khiển ủến mở một van của sơ ủồ, vớ dụ là mở T1. Lỳc ủú do T1 mở nờn uT1=0 và ta cú phương trỡnh vi phõn:
Rt.it + Lt.dit/dt = Um.sin(ωt+ψ) (3-1) để giải phương trỡnh vi phõn (3-1) ta ủặt:
i*=it/Im=it/(Um/Rt)=Rt.it/Um; τ=Lt/Rt (3-2) Trong ủú i*: là giỏ trị tương ủối dũng phụ tải; Im là giỏ trị cực ủại dũng tải khi Lt=0, nú ủược chọn làm ủại lượng cơ bản; τ là hằng số thời gian mạch tảị Thế (3-2) vào (3-1) ta ủược phương trỡnh:
i* + τ.di*/dt = sin(ωt+ψ) (3-3)
Từ nguyờn lý sơ bộ của BBđ ủó nờu trong mục trước ta cú nhận xột rằng: Nếu dũng qua tải là liờn tục thỡ hai van trong sơ ủồ phải luõn phiờn thay nhau làm việc, lỳc ủú nếu ta bỏ qua sụt ỏp rất nhỏ trờn Thyristor dẫn dũng thỡ ủiện ỏp giữa 2 ủiểm A và B trờn sơ ủồ hỡnh 3.3 luụn luụn bằng khụng (vỡ luụn cú một trong hai van dẫn dũng), do vậy ủiện ỏp trờn tải luụn luụn bằng ủiện ỏp nguồn. Muốn cú ủiện ỏp trờn tải khỏc ủiện ỏp nguồn thỡ phải cắt ủi một phần trong mỗi nửa chu kỳ ủiện ỏp nguồn, ủiều này cú nghĩa là dũng qua tải phải giỏn ủoạn. Như vậy loại trừ trường hợp ủiện ỏp ra trựng với ủiện ỏp nguồn thỡ chế ủộ làm việc của BBđ ủiện ỏp pha là chế ủộ dũng giỏn ủoạn, tức là tại thời ủiểm bắt ủầu mở van thỡ dũng qua tải ủang bằng khụng. Giải phương trỡnh (3-3) với ủiều kiện ủầu i*0=i*|(ω t=0)=0 ta ủược:
* 2 /
(1/ 1 ( ) ).[sin( ) sin( ). t ]
i = + ωτ ω ψt+ −arctgωτ − ψ −arctgωτ e− τ (3-4)
Ta ủặt ϕ = arctgωτ là gúc lệch pha của súng hài bậc nhất dũng và ỏp trờn tảị Chuyển về ủơn vị tuyệt ủối ta cú:
2 /
[ /( . 1 ( ) )].[sin( ) sin( ). t ]
t m t
i = U R + ωτ ω ψ ϕt+ − − ψ ϕ− e− τ (3-5)
đõy là biểu thức tổng quỏt dũng qua phụ tải của BBđ ủiện ỏp xoay chiều-xoay chiều một phạ Sau ủõy ta sẽ tỡm biểu thức dũng tải trong một số trường hợp ủặc biệt.
IIỊ2.2.2 Dũng qua tải khi tải thuần trở
Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt>>ωLt thỡ ϕ → 0 và τ→ 0, do vậy biểu thức dũng tải cú dạng ủơn giản như sau:
it =(Um/Rt).sin(ωt+ψ) (3-6) Zt T1 it B A ung T2 ut Hỡnh 3.3
IIỊ2.2.3 Dũng qua tải khi tải thuần cảm
Trong trường hợp phụ tải thuần cảm Rt=0 hoặc khi Rt<<ωLt, lỳc ủú ta cú ϕ →π/2 và τ→∞ và do vậy e-t/τ→1. Từ ủú ta cú biểu thức dũng tải của trường hợp này
it=(Um/ωLt).[sin(ωt+ψ-π/2)-sin(ψ-π/2)]=(Um/ωLt).[cosψ-cos(ωt+ψ)] (3-7) Ta cú ủồ thị ut và it trong 3
trường hợp phụ tải là thuần trở (a), ủiện trở ủiện cảm (b) và khi phụ tải thuần cảm (c) ủược biểu diễn trờn cỏc ủồ thị hỡnh 3.4. Nếu gọi khoảng thời gian dẫn dũng của một van trong một chu kỳ ủiện ỏp nguồn qui ra gúc ủộ ủiện là gúc dẫn của van và ký hiệu là λ thỡ λ ủược biểu diễn như trờn ủồ thị. Khi tải thuần trở λ=π-ψ, khi tải thuần cảm thỡ λ=2(π-ψ), cũn trường hợp tải ủiện trở-ủiện cảm (Rt-Lt) thỡ gúc λ nằm trong khoảng giới hạn bởi hai trường hợp ủặc biệt trờn.
* Nhận xột:
Khi phụ tải của BBđ cú tớnh
chất ủiện trở-ủiện cảm (Rt-Lt) thỡ tại thời ủiểm bằng khụng và bắt ủầu ủổi dấu của ủiện ỏp nguồn ung thỡ van làm việc ở giai ủoạn trước chưa khoỏ lại mà vẫn tiếp tục dẫn dũng nhờ s.ủ.ủ. tự cảm trong ủiện 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 ủiều khiển ψ như nhaụ Nếu ta ký hiệu δ khoảng thời gian kộo dài sự dẫn dũng của van do s.ủ.ủ. tự cảm sinh ra trong Lt qui ra gúc ủộ ủiện là, thỡ gúc δ ủược xỏc ủịnh như trờn ủồ thị. Do ủặc ủiểm này mà khi ủặc tớnh tải của BBđ thay ủổi thỡ giỏ trị hiệu dụng của ủiện ỏp ra cũng thay ủổi theo mặc dự ta vẫn giữ nguyờn giỏ trị gúc ủiều khiển ψ.
Gúc δ sẽ tăng dần khi giảm gúc ủiều khiển ψ và khi ψ→ϕ thỡ δ ủạt giỏ trị cực ủại và bằng ϕ. Khi δ = ϕ thỡ gúc dẫn của van λ=λmax=π, cú nghĩa rằng mỗi van sẽ dẫn dũng một nửa chu kỳ trong một chu kỳ ủiện ỏp nguồn và như ủó nờu thỡ trong trường hợp này ủiện ỏp ra trờn tải luụn luụn bằng ủiện ỏp nguồn. Nếu ủộ dài của xung ủiều khiển ủủ lớn (≥ϕ) thỡ khi phỏt tớn hiệu ủiều khiển mở van với cỏc gúc ủiều khiển nằm trong khoảng: ϕ≥ψ≥0 thỡ gúc dẫn của mỗi van vẫn là: λ = λmax= π. điện ỏp và dũng ủiện trờn tải cú dạng hỡnh sin, cỏc van của BBđ lỳc này ủúng vai
ν1 ν2 ut(nét đậm) it(nét mảnh) ut ut i ut ωt 2π π ψ>0 a ν1' ν1 ν2 ν2' ωt 2π π ψ>ϕ b ν1' δ ν1 ν2 ν2' ωt 2π π ψ>π/2 c λ λ λ δ Hỡnh 3.4
trũ như một cụng tắc khụng tiếp ủiểm mà khụng cũn tỏc dụng ủiều chỉnh ủiện ỏp trờn tảị Vậy với BBđ này thỡ khi ϕ≥ψ≥0 ta khụng ủiều chỉnh ủược ủiện ỏp ra trờn tảị để ủiều khiển ủược ủiện ỏp trờn tải thỡ gúc ủiều khiển của BBđ phải thoả món ủiều kiện: 1800 > ψψψψ > ϕϕϕϕ.
IIỊ2.2.4 điện ỏp trờn phụ tải BBđ xoay chiều-xoay chiều
Ớ Giỏ trị tức thời của ủiện ỏp trờn tải ủược xỏc ủịnh như sau: khi cú một van nào ủú trong hai van dẫn dũng thỡ ut=ung, khi cả hai van ủều khoỏ thỡ ut=0. Vậy trong thời gian một chu kỳ nguồn cung cấp (bắt ủầu tớnh từ lỳc mở T1) ta cú:
-Từ ωt=0ữωt=λ: T1 mở nờn ut=ung.
-Từ ωt=λữωt=π: T1 và T2 ủều khoỏ nờn ut=0. -Từ ωt=πữωt=π+λ: T2 mở nờn ut=ung.
-Từ ωt=π+λữωt=2π: T1 và T2 ủều khoỏ nờn ut=0.
Ớ Giỏ trị hiệu dụng của ủiện ỏp trờn tải, ký hiệu là Ut, ủược xỏc ủịnh theo biểu thức:
2 20 0 (1/ ) sin ( ) ( ) t m U U t d t λ π ω ψ ω = ∫ + (3-8) Trong ủú:
Um: là biờn ủộ ủiện ỏp nguồn cung cấp cho BBđ. Tuỳ thuộc vào ủặc tớnh cũng như giỏ trị phụ tải và giỏ trị ψ ta sẽ xỏc ủịnh ủược giỏ trị gúc λ và thay vào (2-8) ta sẽ tỡm ủược giỏ trị hiệu dụng ủiện ỏp trờn tảị Giỏ trị tương ủối Ut*=Ut/Ung theo gúc ủiều khiển ψ biểu diễn bằng ủồ thị hỡnh 3.5.
đường 1 là khi tải thuần trở; ủường 2 là khi tải ủiện trở-ủiện cảm cú giỏ trị Lt và Rt sao cho arctg(ωLt/Rt) = ϕ, cũn ủường 3 là trường hợp tải thuần cảm.
IIỊ2.3 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 ủối với BBđ xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu) ủó 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 λ π ω ω = ∫ (2-9)
Giỏ trị hiệu dụng dũng qua van
Ut* 1,00 0,75 0,50 0,25 ϕ ψ 0 π/4 π/2 3π/4 π 0,00 1 2 3 Hỡnh 3.5
Hỡnh 3.6 T1 it B C1 R 1 A ung ut Zt T2 C2 R2 0 (1/ 2 ) ( ) ( ) T t I i t d t λ π ω ω = ∫ (3-10) Khi tớnh chọn van ta phải lấy giỏ trị dũng qua van ở chế ủộ nặng nề nhất, tức tương ứng khi gúc dẫn của van là cực ủại (λ = λmax = π), lỳc ủú giỏ trị trung bỡnh và hiệu dụng cực ủại của dũng cỏc van là:
ITtbmax=( 2/π).Imax; ITmax=Imax/ 2
Trong ủú: Imax là giỏ trị hiệu dụng cực ủại của dũng tải khi quỏ tải cho phộp với giả thiết Ut*=1 và với một tải cụ thể ủó chọ
điện ỏp ngược lớn nhất trờn van bằng biờn ủộ ủiện ỏp nguồn xoay chiều : UTthmax = UTngmax=Um= 2 .Ung .
Cỏc ủiều kiện chọn và kiểm tra cũng tương tự như ủó nờu trong chương một.
IIỊ2.4 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 ủối với BBđ xoay chiều- một chiều ủó xột. Trong BBđ này ủể 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.
IIỊ3. Bộ biến ủổi ủiện ỏp xoay chiều 3 pha
Cỏc BBđ ủiện 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 ủồ hỡnh 3.7. Sơ ủồ hỡnh
3.7a và hỡnh 3.7b là sơ ủồ dựng 3 cặp Thyristor mắc song song ngược cú dõy trung