BÀI GIẢI bài tập CHƯƠNG 2 điện tử công suất

Trong mạch này, diode nhằm mục đích lưu ý là dòng điện I d chỉ chạy theo một chiều từ nguồn  tải.. Mạch này có thể áp dụng để giải các bài toán về bộ chỉnh lưu ở chế độ xác lập.. Từ đây

BÀI TẬP CHƯƠNG 2: BỘ CHỈNH LƯU

Lưu ý: Mạch tương đương của bộ chỉnh lưu (1 pha, 3 pha) và tải (R+L+E) với điện áp trung bình

ngõ ra V d và dòng trung bình ngõ ra I d như hình 1 Trong mạch này, diode nhằm mục đích lưu ý là

dòng điện I d chỉ chạy theo một chiều từ nguồn  tải Mạch này có thể áp dụng để giải các bài toán

về bộ chỉnh lưu ở chế độ xác lập

Từ đây, suy ra phương trình mạch: V dRI d  E

Trong trường hợp mạch làm việc ở chế độ dòng liên tục, V d là một hàm theo góc kích α, mà không

phụ thuộc vào giá trị của R, L hoặc E (xem lại các công thức phần lý thuyết)

V d

E

I d

R

Hình 1

Chỉnh lưu 1 pha

Bài 1:

1 Tính dòng trung bình qua tải I d

Sinh viên tự vẽ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu và tải với điện áp trung bình ngõ ra V d và dòng

trung bình ngõ ra I d, từ đó suy ra:

V RI

Trong đó: 2 m 2 2 2 2 220 198

d



10

d

d

V

R

2 Tính giá trị id

Theo đề bài, dợn sóng dòng tải gây ra chủ yếu do sóng hài có bậc thấp nhất trong dòng tải, mà sóng

hài dòng này gây ra do điện áp hài trong áp tải v d

Từ công thức:

2,4

n



Trong đó: 2 m

d

V V



m n

V V

  , với V m  2V, s2 f s

132

m

m

V



Điện áp hài bậc n=2 nói trên gây ra dòng hài tương ứng tại ngõ ra của cầu chỉnh lưu (bỏ qua các

sóng hài khác, theo đề bài)  tạo nên độ dợn sóng dòng tải i d Từ đây, độ dợn sóng dòng tải i d

tính ra như sau:

2,

2

132

11.18A

m

V

3 Tính công suất tiêu thụ bởi tải

Tương tự như cách tính dòng hài bậc n=2 ở trên, dòng hài bậc n = 4 có thể tính ra như sau:

4,

26.4

m

m

V



4,

2

26.4

1.64 A

m

m

V

I

Giá trị hiệu dụng của dòng tải ở ngõ ra bộ chỉnh lưu:

11.18 1.64

n

Nếu chỉ tính với dòng hài bậc n = 2, ta có:

2 2

,

11.18

2

d rms

Điều này cho thấy giả thiết của đề bài là hợp lý khi xem chỉ có dòng hài bậc thấp nhất của i d là đáng

kể Từ đây suy ra công suất tiêu thụ bởi tải:

4 Tính hệ số công suất tại ngõ vào của bộ chỉnh lưu

Trị hiệu dụng của dòng nguồn:

( )



Hệ số công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu:

4545.4

0.97

220 21.32

d

s rms s rms

PF

5 Tính giá trị cần thiết của cuộn cảm L nếu muốn độ dợn sóng dòng tải thỏa điều kiện

10%

d

d

i

I

 

Theo điều kiện về độ dợn sóng dòng i d đã cho, và công thức tính i d trên, ta có:

2,

2

10%

m

V



Suy ra giá trị cần thiết của L là:

2

2

132

10

0.105 105 (2 (2 50))

m

d

V

R I

Bài 2:

1 Dạng sóng v d , i d, và i s như hình 2

Lưu ý là trường hợp tải thuần trở như bài này, giá trị tức thời của dòng ngõ ra sẽ là:

d

d

v

i

R



Do đó, dạng dòng ngõ ra i d sẽ giống như dạng áp ngõ ra v d  Khi v d = 0 thì i d = 0  cặp SCR đang

dẫn (ví dụ: T1, T2 ở bán kỳ dương của v s ) tắt khi v s = 0 tại mỗi bán kỳ  điện áp ngõ ra v d và dòng

ngõ ra i d sẽ bằng zero cho đến khi cặp SCR khác (ví dụ T3, T4 ở bán kỳ âm của v s) được kích dẫn

Quá trình này sẽ lặp lại trong mỗi chu kỳ của áp nguồn v s

Trị trung bình điện áp ngõ ra (xem dạng v d trên hình 2):

d





trong đó: V: trị hiệu dụng áp nguồn xoay chiều cung cấp cho cầu chỉnh lưu

Từ biểu thức trên, sinh viên tự vẽ quan hệ V d (α), lưu ý là chỉ vẽ với α trong khoảng 0π

2 Với góc kích  3, hãy tính trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng tải i d

Trị trung bình dòng tải:

d

d

V

I

R



Trị hiệu dụng dòng tải:

2 2

,rms

2

Với góc kích   3, ta tính được: V d 0.45 220 (1 cos    3 ) 148.5  V , suy ra:

148.5

14.85 10

d

d

V

R

    ,rms

3 sin(2 3 ) 220

d

Trị hiệu dụng dòng ngõ vào bộ chỉnh lưu: I s,rms I d,rms

(S/v tự chứng minh quan hệ trên, lưu ý là i i s d khi T1 và T2 dẫn, và i s i d khi T3 và T4 dẫn) Công suất thực P của nguồn v s = công suất P d tại ngõ ra của bộ chỉnh lưu(bỏ qua tổn hao trên cầu chỉnh lưu) Ngoài ra, do tải là điện trở thuần nên:

2

,

P P RI

Công suất biểu kiến tại ngõ vào:

S V I  V I

Từ đó suy ra hệ số công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu đã cho trong bài là:

sin(2 ) 1

2

P

HSCS

S

3



 )

Hình 2 (Góc kích α = π/2)

Bài 3:

Cho biết tại góc kích α = 40o, mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục

1 Trị trung bình dòng ngõ ra và trị hiệu dụng các sóng hài chính trong dòng ngõ ra

Sinh viên tự vẽ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu và tải với điện áp trung bình ngõ ra V d và dòng

trung bình ngõ ra I d, từ đó suy ra:

V RI

Trong đó: 2 2 cos 2 2 220cos 40o 151.7

d

V



Vậy: 151.7 15.17

10

d

d

V

R

Sinh viên tự vẽ mạch tương đương của sóng hài điện áp trong v d với tải R+L ở ngõ ra của bộ chỉnh

lưu, từ đó suy ra công thức tính trị hiệu dụng của dòng hài bậc n như sau:

,

2

n

n rms

n

V

I

Z

Trong đó:

- V n tính theo V m 2V , suy ra từ đồ thị hình 4 trong phần bài tập

- Z n R2(n Ls )2

Ta lập được bảng sau:

2 Công suất nguồn cung cấp

Công suất nguồn = công suất tải (bỏ qua tổn hao trên bộ chỉnh lưu), do đó:

2

,

P P RI

Trong đó:

n

Vậy công suất nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu là: 2 2

3 Hệ số công suất ngõ vào của bộ chỉnh lưu

Sinh viên tự chứng minh với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển toàn phần, ta có trị hiệu dụng dòng ngõ vào bộ chỉnh lưu:

,rms ,rms

I I = 15.34 A

Từ đây suy ra hệ số công suất của mạch:

2353.2

0.7

220 15.34

d

s rms s rms

PF

Bài 4:

Dạng sóng v d , i d , v T1 và i s như hình 3

Với các dạng sóng v d , i d , và i s, sinh viên có thể xem lại phần lý thuyết

Với dạng sóng v T1, lưu ý là:

- Khi T1 dẫn (T3 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1 tắt): v T1 v s

Từ đó có thể suy ra dạng sóng của v T1 như trên hình

Hình 3

1 Tính trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng tải i d, và hệ số công suất ngõ vào của cầu chỉnh lưu

Vì i d phẳng nên trị trung bình của dòng tải i d = trị hiệu dụng của i d (SV tự chứng minh điều này),

nghĩa là I d = I d,rms

Ngoài ra, với   / 4, ta có:

2 2 2 2

4

d

 

Từ mạch tương đương của tải với giá trị trung bình của áp và dòng tải, ta suy ra:

,

140 100

8 5

d

R

Công suất thực P ở ngõ vào bộ chỉnh lưu = công suất tại ngõ ra của bộ chỉnh lưu P d (bỏ qua tổn hao

trên cầu chỉnh lưu) Ngoài ra, do dòng i d là phẳng nên:

2 2 cos



Công suất biểu kiến tại ngõ vào của bộ chỉnh lưu:

S V I   (SV tự chứng minh I V I s,rms = I d)

Từ các biểu thức trên, suy ra hệ số công suất ngõ vào bộ chỉnh lưu tính theo công thức sau:

2 2

4

P

HSCS

S





 



 )

Bộ chỉnh lưu lúc này hoạt động ở chế độ chỉnh lưu (do góc kích α<π/2 ), do đó chiều truyền công

suất là: nguồn  tải

3 Tính góc kích cần thiết để dòng tải trung bình lúc này là I d = 10A

Để I d = 10A khi E = -100V, có thể tính ra được giá trị V d cần thiết là:

5 10 ( 100 ) 50

V RI     E V   V

Từ đó suy ra:

d

V V





Góc kích cần thiết: 104,6 o

Bộ chỉnh lưu lúc này hoạt động ở chế độ nghịch lưu (do công suất ra P d = V d I d < 0 và góc kích

α>π/2), do đó chiều truyền công suất là: tải  nguồn

Dạng sóng v d , i d , v T1 và i s tương tự như hình 2 nhưng với góc kích 104.6o (SV tự vẽ)

Bài 5:

1 Dạng sóng v d , i d , v T1 và i s như hình 4

Với các dạng sóng v d , i d , và i s, có thể xem lại phần lý thuyết

Với dạng sóng v T1, lưu ý là:

- Khi T1 dẫn (T3 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1 tắt): 

Hình 4

2 Theo giả thiết của đề bài, dòng tải i d là phẳng (nghĩa là mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục) nên ta có:

2 (1 cos )

d



Từ đồ thị hình 5 (suy ra từ hình 4) có thể suy ra cách tính trị hiệu dụng của dòng ngõ vào I s, rms

như sau:

,rms

0

 

Hình 5

Công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu P = công suất tại ngõ ra P d (bỏ qua tổn hao trên cầu chỉnh lưu) Vì dòng i d là phẳng nên công suất tại ngõ ra có thể tính như sau:

P P V I 

Công suất biểu kiến tại ngõ vào bộ chỉnh lưu:





Từ đó suy ra hệ số công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu đã cho trong bài là:

2

(1 cos )

P HSCS

S



 )

Chỉnh lưu 3 pha

Bài 6:

1 Giả thiết tải có R = 10, L = 0 (tải thuần trở) Với góc kích   3, các dạng sóng v d , i d và v T1

như hình 6 dưới đây

Lưu ý là dạng sóng v T1 trên T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các SCR nối chung cực cathode với SCR này:

- Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): v T1v anv bnv ab

- Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): v T1v anv cnv ac

- Khi các SCR đều tắt: v T1v an (do lúc này v d = 0 vì i d = 0)

Sinh viên tự suy ra dạng sóng dòng i a (đây cũng là dòng qua SCR T1)

0

0

ac

vT1

v d

T5

i d

2 Giả thiết tải có R = 10, L đủ lớn để dòng id có thể xem là phẳng Với góc kích   3, các dạng sóng vd và vT1 như hình 7 dưới đây Các dạng sóng dòng ngõ ra (i d) và dòng ngõ vào trên pha a (i a) sinh viên tự xem lại slide tương ứng trong phần lý thuyết

Hình 7

Lưu ý là dạng sóng v T1 trên T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các SCR nối chung cực cathode với SCR này:

- Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): v T1v anv bnv ab

- Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): v T1v anv cnv ac

Bài 7:

1 Với góc kích   3, hãy vẽ dạng sóng v d , i d , v T1 và i a

Giả thiết tải có L đủ lớn để dòng i d có thể xem là phẳng Với góc kích   3, các dạng sóng v d , i d, dòng ngõ vào i a của pha a và điện áp v T1 trên T1, như hình 8

Lưu ý là dạng sóng v T1 trên T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các SCR nối chung cực cathode với SCR này:

- Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): v T1v anv bnv ab

- Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): v T1v anv cnv ac

0

i d

ia

v ab v ac

v T1

T5

T6 T4

0

v ab v ac v bc v ba v ca v cb v ab v ac

vd

Hình 8

Dòng ngõ vào ia phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của T1 và T4:

- Khi T1 dẫn và T4 tắt: i a  i d

- Khi T4 dẫn và T1 tắt: i a   i d

- Khi T1 và T4 tắt: 0i a 

2 Với góc kích như câu 1, hãy tính trị trung bình dòng ngõ ra i d , công suất ngõ ra P d và hệ số

công suất ngõ vào của cầu chỉnh lưu, biết R = 5, E = 150V

Theo giả thiết của đề bài, dòng tải i d là phẳng (nghĩa là mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục) nên

ta có:

3 6

cos 257.4[ ]

d



3



 )

SV tự vẽ mạch tương đương với V d và I d của bài này, từ đó suy ra: V d RI d  E

Dòng ngõ ra trung bình: 257.4 200 11.5

5

d d

R

Từ đồ thị hình 7 có thể suy ra dạng dòng ngõ vào I s, rms (ở đây là dòng pha a) như hình 9, từ đó tính được biểu thức của trị hiệu dụng của dòng ngõ vào I s, rms như sau:

,rms





Hình 9

Công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu P = công suất tại ngõ ra P d (bỏ qua tổn hao trên cầu chỉnh lưu)

Vì dòng i d là phẳng nên công suất ngõ ra có thể tính theo công thức:

P P V I 

Công suất biểu kiến tại ngõ vào:

2

3

Từ đó suy ra hệ số công suất tại ngõ vào bộ chỉnh lưu đã cho trong bài là:

3 cos

P HSCS



  = 0.48 (với

3



 )

Bộ chỉnh lưu lúc này hoạt động ở chế độ chỉnh lưu (do góc kích α<π/2), do đó chiều truyền công

suất là: nguồn  tải

3 Nếu tải có R = 5, E = -150V, hãy tính góc kích cần thiết để dòng tải trung bình lúc này là Id

= 20A Tính công suất của nguồn sức điện động E và công suất thực P s của nguồn vs Từ đó

cho biết nguồn v s phát hay nhận công suất ?

Để I d = 20A khi E = -150V, có thể tính ra được:

V RI   E    V

2.34 2.34 220

3 6

V V









Góc kích cần thiết: 95.6 o

Bộ chỉnh lưu lúc này hoạt động ở chế độ nghịch lưu (do công suất ra P d = V d I d < 0 và góc kích

α>π/2), do đó chiều truyền công suất là: tải  nguồn

Bài 8:

1 Vẽ dạng sóng: v d , i d , dòng qua diode D4, dòng qua thyristor T1, dòng ngõ vào i a và điện áp

v T1 với góc kích  = 30o

Các dạng sóng như hình 10 dưới đây

Về dạng sóng v d, xin xem chi tiết trong các slide bài giảng tương ứng

Hình 10 (  = 30 o )

Lưu ý là dạng sóng v T1 trên T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các SCR nối chung cực cathode với SCR này:

- Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): v T1 0

- Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): v T1v anv bnv ab

- Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): v T1v anv cnv ac

Dòng ngõ vào ia phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của T1 và D4:

- Khi T1 dẫn: i a  i d

- Khi D4 dẫn: i   i

- Khi T1 và D4 cùng tắt, hoặc T1 và D4 cùng dẫn: 0i a 

2 Vẽ dạng sóng: v d , i d, dòng qua diode D4, dòng qua thyristor T1, dòng ngõ vào i a và điện áp

v T1 với góc kích  = 90 o

Các dạng sóng như hình 11 dưới đây

Hình 11 (  = 90 o )

Bài 9:

Tính phạm vi thay đổi cần thiết của góc kích để dòng nạp ăcquy có thể điều chỉnh trong

khoảng 10A đến 300A

Sinh viên tự vẽ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu và tải với thành phần trung bình của áp và dòng ngõ ra, V d và I d, từ đó suy ra quan hệ sau:

V RI  E

Từ đây, suy ra trong trường hợp I d = 10A, ta có điện áp V d cần thiết là:

0.5 10 360 365

V RI  E    V

Và trường hợp I d = 300A, ta có điện áp V d cần thiết là:

0.5 300 360 510

V RI  E    V

Với giả thiết dòng i d là phẳng (nghĩa là i d cũng liên tục), điện áp V d được tính theo góc kích như sau:

3 6

(1 cos ) 1.17 (1 cos )

2

d



Vậy, trong trường hợp I d = 10A, góc kích cần thiết sẽ là:

365

d

V

V

o (1.14 rad)

Và trong trường hợp I d = 300A, góc kích cần thiết sẽ là:

510

d

V

V

o (0.2 rad) Như vậy, để dòng I d thay đổi trong khỏang 10A  300A, góc kích α cần thay đổi từ 65.3o đến 11.5o