Thiết bị chỉnh lưu là thiết bị mà dòng năng lượng được chuyển từ phía nguồn xoay chiều sang phía một chiiều.Tuy nhiên, khi tải có chứa suất điện động Ed, có thể làm cho năng lượng được chuyển từ phía một chiều sang phía xoay chiều – gọi là chế độ nghịch lưu. Thực tế, điều này thường xảy ra với tải là động cơ điện một chiều khi nó làm việc ở chế độ máy phát, và năng lượng này phải chuyển về lưới điện
Hình 2.50
xoay chiều. Lúc đó thiết bị chỉnh lưu chuyển sang chạy ở chế độ nghịch lưu. Vì mạch van hoạt động phải dựa theo nguồn xoay chiều, phụ thuộc vào nguồn này, nên được gọi là nghịch lưu phụ thuộc
2.9.1. Bản chất nghịch lưu phụ thuộc và các điều kiện thực hiện
Ta biết rằng một nguồn có thể là phát năng lượng hoặc tiêu thụ năng lượng, tuỳ thuộc chiều của dòng điện và chiều s.đ.đ.
Nếu chiều s.đ.đ và dòng điện qua nó trùng nhau, nó là nguồn phát năng lượng.
• Nếu s.đ.đ và dòng điện ngược nhau, nó là tải tiêu thụ năng lượng.
Từ nguyên tắc này ta thấy rằng, muốn có nghịch lưu cần điều kiện:
1. Để phía một chiều là phát năng lượng, cần đảm bảo dòng id và chiều s.đ.đ Ed cùng chiều nhau.
2. Để phía xoay chiều nhận năng lượng, tương đương là nguồn Udα
phải nhận năng lượng, thì chiều dòng id phải ngược chiều nguồn Udα. Song do mạch van chỉ cho phép dòng id đi theo một chiều xác định:
a) Khi giữ nguyên mạch van chỉnh lưu, tức là giữ chiều dòng id chỉnh lưu ta buộc phải:
• Thực hiện điều kiện 1 bằng cách đảo chiều s.đ.đ Ed.
• Thực hiện điều kiện 2 bằng cách đảo chiều Udα : vì có quy luật Udα = Ud0cosα, nên điều này có nghĩa cần làm cho Udα < 0, suy ra phải điều khiển với α > 900. Phương pháp này thể hiện ở hình 2.51a.
b) Khi giữa nguyên chiều s.đ.đ Ed cần phải:
• Đảo chiều dòng id bằng cách đưa vào một mạch van thứ II ngược với mạch van chỉnh lưu I. Như vậy khi cần chạy ở chế độ nghịch lưu sẽ đưa bộ II vào hoạt động là thực hiện được điều kiện1
• Điều kiện 2 cũng chỉ đảm bảo khi điều khiển bộ II với góc α > 900. Phương pháp này thể hiện ở hình 2.51b
Trong cả hai phương pháp trên luôn cần điều khiển mạch van với α > 900 để đảm bảo điện áp Udα
đảo dấu so với chế độ chỉnh lưu. Như vậy chỉ có mạch có Udα = Ud0cosα mới cho phép chạy ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Vì khi α > 900 ta có Udα = Ud0cosα < 0
2.9.2. Mạch chỉnh lưu một pha ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Xét trên ví dụ sơ đồ cầu một pha (hình 2.52a)
1. Chế độ chỉnh lưu:α < 900, Udα > 0: để nguồn xoay chiều phát năng lượng và s.đ.đ Ed > 0 để nhận năng lượng. Dòng năng lượng chuyển từ phía xoay chiều sang một chiều. Đồ thị ở hình 2.52b cho thấy điện áp ud chủ yếu là các giai đoạn lớn hơn không.
Hình 2.51
Hình 2.52
2. Chế độ nghịch lưu: α > 900 để có Udα < 0 và nhận năng lượng và s.đ.đ Ed < 0 có chiều trùng dòng id để trở thành nguồn phát năng lượng. Đồ thị của chế độ này ở hình 2.52c. Điện áp ud chủ yếu là giai đoạn âm. Các biểu thức tính toán vẫn theo (2.52a), (2.52b), (2.52c).
2X Ia d Uγ
∆ = π
( )
2
os -cos 2 a d
m
c X I
α α γ+ = U d 2 2 2 os 2X Ia d 0,9 2 os 2X Ia d
U α U c α U c α
π π π
= − = −
Có một lưu ý là các biểu thức tính dòng điện tuy vẫn là: d d d d
U E
I R
α −
= , nhưng do Ed < 0 nên ta có:
d d
d
d
U E
I R
α +
=
Để cho dễ nhận biết chế độ nghịch lưu, người ta đưa vào góc bù của góc điều khiển:
β π α= −
α π β= − (2.59)
Lúc đó thay (2.59) vào các biểu thức (2.52a), (2.52b), (2.52c) ta có:
2
0,9 os -2 a d
d
U β U c β X I
= − π
( )
2
os -cos a d
m
c X I
β γ− β = U
3. Góc khóa δ và hiện tượng sập nghịch lưu
Ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, thời gian phục hồi tính chất khoá cho tiristo là khoảng thời gian điện áp trên tiristo âm sau khi van khoá. Trên đồ thì (hình 2.52c) được đặc trưng bởi góc khoá δ.
( )
δ π α γ= − +
Ở chế độ chỉnh lưu do α nhỏ nên góc δ lớn và luôn đảm bảo khoá tốt cho van.
Ở chế độ nghịch lưu do α lớn nên góc δ nhỏ, do vậy nếu điều khiển với α quá lớn có thể góc δ không đảm bảo khoá chắc van nữa. Hiện tượng mất điều khiển do δ < θphục hồi của van làm mạch sự cố gọi là “sập nghịch lưu”.
Khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu cần luôn khống chế góc δ trong phạm vi cho phép, thường δ ≥ 50. 2.10 . BỘ CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU
Bộ chỉnh lưu đảo chiều thực chất là hai mạch chỉnh lưu cùng loại đấu song song, ngược nhau so với tải (hình 2.53). Mỗi bộ chỉnh lưu đảm nhận một dấu (một chiều) của điện áp tải. Tuy nhiên để mạch làm việc bình thường, cần phối hợp sự hoạt động của hai bộ chỉnh lưu với nhau.
2.10.1. Phương pháp điều khiển chung
Đặc điểm của phương pháp này là hai mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là cùng được phát xung điều khiển. Tuy nhiên một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, là bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc
Hình 2.53
chiều quay của động cơ, còn bộ kia chạy ở chế độ nghịch lưu và luôn sẵn sàng chuyển sang chế độ chỉnh lưu.
Hình 2.54a là ví dụ về bộ chỉnh lưu đảo chiều sử dụng sơ đồ cầu ba pha. Do hai bộ chỉnh lưu cùng đấu vào một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau, theo quy ước chiều trên sơ đồ ở hình 2.54a của các điện áp udI và udII, điều đó có nghĩa là:
UdI = -UdII
Hay U cd0 osαI = −U cd0 osαII (2.60) Suy ra: cosαI+cosαII =0
Phương trình này cho ta quan hệ, hay luật phối hợp điều khiển hai mạch chỉnh lưu:
I II
α α+ =π (2.61) ta có : αII = −π αI
Vì bộ II nghịch lưu nên theo (2.59): αII = −π βII
Suy ra: βII =αI
Lưu ý rằng, điểm gốc để xác định góc α cho hai bộ là trùng nhau đối với van có cùng số thứ tự; ví dụ van T1 và T1’ có cùng điểm mốc tính góc điều khiển αT1 và αT1'
.
Luật phối hợp điều khiển theo (2.61) mới chỉ đảm bảo trị số trung bình của hai bộ chỉnh lưu bằng nhau. Song giá trị tức thời của chúng là khác nhau, tức là:
udI ≠ -udII
Hình 2.54
Điều này dẫn đến buộc phải dùng cuộn kháng cân bằng để chống dòng ngắn mạch chảy xuyên qua hai bộ chỉnh lưu. Ví dụ, trong khoảng θ θ1÷ 2ở bộ CLI có T1T6 dẫn, thì ở bộ CLII tương ứng là:
• Đoạn đầu T5'−T4' dẫn tạo thành đường ngắn mạch: pha c − − −T5' T6 pha b. Điện cảm Lcb2 là để chống ngắn mạch theo đường dây phía dưới nối giữa hai bộ CLI và CLII.
• Đoạn sau đến lượt T6'−T5'dẫn tạo thành đường ngắn mạch: pha a − − −T1 T6' pha b.Điện cảm Lcb1 là để chống ngắn mạch theo đường dây phía trên của mạch.
Như vậy mạch phải dùng hai cuộn kháng cân bằng. Dạng điện áp trên cả hai cuộn này ở hình 2.54b, dựng theo biểu thức:
udI + udII = uLcb = u1 + u2
Bây giờ ta xem xét quá trình đảo chiều điện áp tải Ud. Do bộ I đang ở chế độ chỉnh lưu nên dòng điện tải là dòng của bộ CLI: Id=IdI, bộ II không có dòng, IdII=0, vì chiều dòng này ngược chiều id nên không thể chạy được (tuy nhiên vẫn tồn tại dòng cân bằng). Khi cần đảo chiều, phải điều khiển tăng dần góc điều khiển αI, tương ứng giảm dẫn αII theo (2.61).
Do αI tăng nên UdI giảm, trong khi đó s.đ.đ Ed không giảm nhanh bằng (thí dụ do quán tính của động cơ), dẫn đến Ed> UdI, do đó:
0
d d
d
U E
I R
α −
= <
Tức là dòng tải sẽ đảo chiều. Nhưng bộ CLI không thể cho dòng idI đảo chiều, nên dòng id sẽ chuyển sang chảy qua bộ CLII. Mạch vòng giữa CLII và Ed là đúng các điều kiện chạy ở chế độ nghịch lưu, nên lúc này CLII thực hiện việc trả năng lượng của s.đ.đ Ed về nguồn làm Ed giảm.
Khi αI tăng đến bằng 900, αII cũng giảm về giá trị 900, điện áp UdI = -UdII = Ud0cosα = 0, quá trình nghịch lưu của CLII kết thúc. Sau đó αII tiếp tục giảm nhỏ hơn 900 và chuyển sang chế độ chỉnh lưu, điện áp đã đổi dấu. Bộ CLI chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc, quá trình đảo chiều kết thúc.
Phương pháp điều khiển chung cho phép tiến hành đảo chiều nhanh do hai bộ chỉnh lưu luôn đồng thời hoạt động. Tuy nhiên phải tuân thủ nghiêm ngặt (2.61) α αI + II =π là điều khó thực hiện chính xác.
Đồng thời buộc phải có các cuộn kháng cân bằng, làm tăng kích thước, giá thành và giảm hiệu suất của thiết bị. Vì thế phương pháp này thường chỉ ứng dụng khi cần có độ tác động nhanh hoặc phải đảo chiều thường xuyên với tần suất lớn.
2.10.2. Phương pháp điều khiển riêng
Bộ chỉnh lưu làm việc không đồng thời. Với mỗi chiều của điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lưu được phát xung và chạy ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia được nghỉ, không được phát xung điều khiển. Như vậy không thể có dòng điện chảy xuyên giữa hai mạch, do đó hoàn toàn không cần các cuộn kháng cân bằng và không cần hai bộ chỉnh lưu được đấu song song ngược nhau một cách trực tiếp. Tuy nhiên điều này dẫn đến buộc phải loại trừ khả năng hai bộ cùng hoạt động, vì lập tức sẽ làm xuất hiện dòng ngắn mạch qua hai bộ chỉnh lưu gây sự cố cho thiết bị. Do đó quá trình đảo chiều phải thực hiên theo trình tự chặt chẽ. Thí dụ cần chuyển sự hoạt động từ CLI sang CLII, phải làm như sau:
1. Ngắt xung điều khiển bộ đang chạy, ở đây là bộ CLI
2. Theo dõi dòng id để xác định thời điểm id =0. Lúc đó có nghĩa van của CLI đã khoá lại.
3. Để chờ một khoảng thời gian cho van của CLI phục hồi tính chất khoá
4. Bắt đầu phát xung mở cho CLII ở chế độ nghịch lưu αII > 900 rồi giảm dẫn góc điều khiển để chuyển sang chế độ nghịch lưu α < 900.
Quy trình 4 bước để đảm bảo chiều thường do một mạch điều khiển lôgic có độ tin cậy cao đảm nhiệm. Quy trình này cho thấy phương pháp điều khiển riêng có tốc độ đảo chiều thấp hơn phương pháp điều khiển chung.