bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 3

Thyristor - ngắt điện làm việc với nguồn xoay chiều: Thí nghiệm: Lập mạch điện như hình 3.1.1 iG ≠ 0: TRIAC sẽ dẫn điện ON: dòng qua tải cùng dạng với áp.. - Để điều khiển khiển áp ra,

Chương 3: BỘ BIẾN ĐỔI (BBĐ) ĐIỀU KHIỂN PHA

1 Nguyên lý điều khiển pha

2 Điều khiển pha áp xoay chiều

3 Chỉnh lưu diod (không điều khiển)

4 Chỉnh lưu điều khiển pha

5 Mạch phát xung điều khiển pha

III.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN PHA:

1 Thyristor - ngắt điện làm việc với nguồn xoay chiều:

Thí nghiệm: Lập mạch điện như hình 3.1.1

iG ≠ 0: TRIAC sẽ dẫn điện (ON): dòng qua tải cùng dạng với áp.

iG = 0: TRIAC sẽ tắt (OFF) khi dòng (áp) qua zero.

=> TRIAC (và SCR) là phần tử có thể đóng ngắt ở điện AC.

Điều khiển ON -OFF

T

Điềukhiển

Nhận xét:

- Thyristor có thể đóng ngắt mạch điện xoay chiều

- Khái niệm chuyển mạch lưới ( line commutation )

- ĐIỀU KHIỂN ON-OFF

còn gọi là điều khiển toàn chu kỳ

(integral cycle control).

- Để điều khiển khiển áp ra,

ta dùng: ĐIỀU KHIỂN PHA

Hình III.1.3: Áp ra điều khiển pha tải trở

ĐN điều khiển pha:

- Thyristor làm việc 1 phần chu kỳ (bán kỳ) của nguồn AC

- ĐK áp ra bằng cách thay đổi góc điều khiển  (góc thông chậm)

2 Khảo sát sơ đồ điều khiển pha 1 SCR :

a Khảo sát với tải R:

R

T1

Điều khiển

io o

u u



Nguyên lý xếp chồng: IO  U RO /

Trị số hiệu dụng áp ngỏ ra:

Khi  = 0, ta có trị hiệu dụng áp ra chỉnh lưu diod bằng U/ 2 0.707  U

b Khảo sát với tải RL:

Khảo sát tương tự trường hợp R

R

wL tg

L R

Z  2   2và góc pha   1

tảitrở

Dòng tải iocó dạng iO = iO1 + iO2 với

* iO1 là thành phần xác lập

 

1

2 2

1

2sin( )

tổng trở tải

và góc pha tải

Có góc dẫn , ta tính được:

Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK của Excel để giải

<III.2.4>:

Màn hình Excel để tìm góc dẫn khi cho trước góc kích

III.2 ĐIỀU KHIỂN PHA ÁP XOAY CHIỀU:

1 Khảo sát sơ đồ một pha:

a Tải điện trở:

- Trị hiệu dụng dòng tải:

2sin 2

OR OR

b Tải RL:

- dòng không tắt khi áp qua zero

- bề rộng xung dòng 

là nghiệm của phương trình

Các nhận xét:

* Áp ra bằng không khi  = MAX= 180 O

* Góc  tối thiểu với tải RL bằng 

Khi , áp ra không thay đổi 

* Yêu cầu kích xung rộng:

Hình III.3.3: Quá trình quá độ bộ ĐKP áp xoay chiều một pha

(a) Sơ đồ khối rơ le bán dẫn

(b) Sử dụng opto triac để điều khiển ON-OFF Hình III.3.6: Ứng dụng điều khiển ON – OFF

- rơ le hay contactor bán dẫn (SSR - solid state relay )

Ưu điểm: - không tạo ra tia lửa điện,

- số lần và tần số đóng ngắt cho phép rất cao…

Nhược điểm: - khả năng quá tải kém,

- hỏng không phục hồi được, nhạy với nhiễu, nhiệt …

b BBĐ áp xoay chiều:

(a) dùng ba sơ đồ một pha (b) sơ đô điều khiển ba pha

VÍ DỤ: khảo sát trên PSIM sơ đồ đk pha 3 pha

III.3 CHỈNH LƯU DIOD (KHÔNG ĐIỀU KHIỂN):

Phân loại theo số xung m của áp ra trong một chu kỳ

1 Khảo sát chỉnh lưu hai xung: chỉnh lưu toàn sóng hay hai nữa chu kỳ

a Hoạt động ở tải R:

với U ,  : trị số hiệu dụng và tần số góc áp nguồn u.

Trị trung bình U o của áp ra u o:

uo = io R với io là dòng ngỏ ra => io = uo/R và Io = Uo/R

Trị hiệu dụng dòng tải :

b Hoạt động ở tải RL:

RL thay vào vị trí của R

(a) áp dòng chỉnh lưu hai xung tải RL (b) dạng dòng trong chu kỳ tựa xác lậpKhảo sát chu kỳ tựa xác lập, ta lấy lại gốc tọa độ và phương trình mạch điện:

u  u U wt R i L dt điều kiện đầu : i O (0) = I 1

Ví dụ: Tính dòng qua mạch chỉnh lưu

cầu diod tải R = 10 ohm, áp nguồn

Bài tập III.1.1: Tính HSCS của

BBĐ khi dòng tải phẳng, bằng I O

- Công suất nguồn cung cấp:

c Hoạt động ở tải RE: Tải có sức phản điện làm cho xung dòng thu hẹp

Gọi  là góc để diod bắt đầu dẫn điện:

Khi diod dẫn điện, u o  u R i E o  i o u E R / với u 2U sin wt

Chỉnh lưu diod 2 xung, tải RE

Khi diod tắt hay i O = 0 , u O = E

I Ocó thể được tính theo nguyên lý xếp chồng: I O = (U O – E) /R

R

I   i dwt      dwt => Po  R I OR2

d Hoạt động ở tải có tụ điện: ( hình III.1.4 )

Hình III.1.4: Mạch động lực và dạng dòng, áp

Phương trình dòng khi diod dẫn điện:

C in

  <III.1.7> , với u U  2 sin wt

i in có thể có giá trị rất lớn => cần hạn chế (khi U lớn)

C v v

R

L C

(b)

v

C v iin

R

VARISTOR

C

(c)Các sơ đồ thực tế (có hạn dòng nạp tụ)

Dạng dòng áp khi có phần tử hạn dòng

v

C v

in i

R R

K

C

(d)

2 Tính toán gần đúng áp ra bộ chỉnh lưu diod ngỏ ra có tụ điện:

Giả sử điện dung C rất lớn hay tải nguồn dòng (mạch ổn áp)

Hình III.1.6b Dạng áp tính toán sơ đồ hình III.1.5a

t = T/2 T là chu kỳ điện lưới o.

C

I t U

Bài tập: tính toán điện áp bộ cấp điện tuyến tính, ví dụ bộ nguồn ổn áp 5V/ 0.5A

Dạng áp ra khi áp nguồn quá thấp

III.4 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA

1 Sơ đồ chỉnh lưu SCR hai xung: hình III.4.1.(a) và (b)

Khảo sát trường hợp tải thuần trở:

Hình III.4.1: Sơ đồ và dạng áp, dòng chỉnh

lưu 2 xung ĐK pha

2sin o

Giá trị tức thời dòng điện tải i

trị trung bình dòng tải

o o

o o

u R U I

R



Trường hợp tải RL:

Xung dòng kéo dài, có dạng như trường

U I

Hình III.4.3: Dạng dòng, áp ra chỉnh lưu

2 xung, tải RL với dòng gián đoạn

Trường hợp tải dòng liên tục:

Khi L đủ lớn và góc điều khiển

pha bé, bề rộng xung  tăng đến giá trị

T1



o o

Hình III.4.4: Dạng dòng, áp ra khi dòng tải liên tục

Khi L = ∞ , dòng tải trở nên phẳng: giả thuyết dòng tải liên tục, phẳng.

Bài tập: điều kiện chế độ biên liên tục là  với  tg–1(wL/R)

2 Sơ đồ chỉnh lưu SCR hình tia m xung:

- Nguồn là hệ thống m pha hình sin

1

1 2

2 3

1

Tm 3

(b) Chỉnh lưu m pha hình tia

e e

(c) Dạng áp ngỏ ra tải dòng liên tục

Ta có trình tự làm việc của các SCR:

T1  T2  T3  … Tm  T1  T2

=> góc dẫn của 1 SCR  = 2/m

Góc chuyển mạch tự nhiên  (tương ứng với  = 0) của SCR:

2 hay

             

Trị trung bình áp ngỏ ra khi dòng tải liên tục:

Ví dụ chỉnh lưu 3 xung: hình tia ba pha.

Khảo sát thêm:

1 Khảo sát chỉnh lưu 3 pha hình tia tải R

2 Hoạt động bộ chỉnh lưu m pha hình tia

ĐK pha khi  > 90o với tải dòng liên tục

(chế độ nghịch lưu).



u i



o

G2 i

B



i

3 Chỉnh lưu SCR sáu xung với tải dòng liên tục: Sơ đồ cầu 3 pha

G2 i G1

iG3



iG4 iG5

B

+ C

TOÅNG KEÁT VEÀ CHÆNH LÖU ÑK PHA:

4 Khảo sát sơ đồ điều khiển không hoàn toàn: Các sơ đồ:

Df D3

Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu một pha (hình III.6.1.a và b) tải RL:

- khoảng dẫn điện của SCR, D

thay đổi theo cách bố trí linh kiện.

- Áp ra không có phần âm.

- Tăng khoảng điều chỉnh, cải

thiện HSCS.

2 cos 1

2 wt 0

2 wt





Ví dụ: Cho bộ chỉnh lưu một pha hỗn hợp hình III.6.1.a có diod phóng điện Áp

nguồn 220 VAC Tải RL, R = 10 ohm, L đủ lớn để có thể xem dòng tải là phẳng Tính trị trung bình dòng qua SCR, Diod ở góc ĐK pha = 45 O

Trung bình áp ra:

180

o

o

5 Công suất và HSCS của chỉnh lưu điều khiển pha:

Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu 2 xung tải dòng liên tục và phẳng Io

Công suất biểu kiến: S = U Io => HS công suất: cos   P So  2 2 cos  o

Nhận xét: ■ cos   bất chấp góc điều khiển  vì dòng không hình sin 1

■ cos   khi  > 90 0 o: Năng lượng đão chiều

Bài tập: Tính lại quan hệ công suất và cos  cho chỉnh lưu cầu 3 pha

III.5 MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN PHA :

1 Nguyên lý điều khiển pha:

Tạo điều khiển: cùng tần số ( đồng bộ) với lưới điện + pha thay đổi.

Với  = 0 : không điều khiển,

SCR  D, áp ra cực đại với tải

Có hai nguyên lý: làm trễ và so sánh

a Nguyên lý làm trễ:

Dựa vào mạch đơn ổn (làm

trễ), kích ở  = 0, phát xung kích

thyristor sau Td giây

Đơn ổn

Td Mạch

đồng bộ

  = w Td <III.7.1>

b Nguyên lý so sánh:

mạch so sánh hai tín hiệu:

- Uđk: tín hiệu điều khiển.

- Uđb: tín hiệu đồng bộ

+ cùng tần số lưới

+ có độ dốc không

đổi dấu trong khoảng 

= min đến  = max

(thường là 0 và 



Ví dụ: Điều khiển pha dùng bộ đếm:

Điều khiển pha dùng bộ đếm

Ở thời điểm  , bộ đếm xuống có preset được nạp số N.

Giá trị NMAX tương ứng góc MAX và thời gian trễ NMAX .TCLK .

preset

DATA Tín hiệu đặt N

đếm xuống, tần số CLK T

Ta có MAX = w.N MAX T CLK <III.7.2>

Mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha theo nguyên lý so sánh:

được áp dụng rộng rãi khi dùng vi mạch tương tự (analog)

a Sơ đồ khối:

- Khối lệch pha  : hiệu chỉnh độ lệch pha của áp lưới, cho ra xung ở

ngỏ ra bộ khám phá zero đưa vào mạch tạo áp đồng bộ

- mạch so sánh định thời điểm kích SCR

- Mạch đơn ổn ở ngõ ra bộ so sánh xác định bề rộng xung kích SCR

- khối logic: phối hợp mạch phát xung các pha

- Khối khuếch đại và ghép nâng mức công suất xung và nối vào cực cổng SCR

Lệch pha Khám phá

ZERO Tạo ápđồng bộ

Pha

lưới

Xung từ các pha khác

III.6 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU:

Có hai nhóm ứng dụng:

- Truyền động điện động cơ một chiều

- các bộ nguồn một chiều

+ chỉnh lưu đầu vào cho thiết bị điện tử.

+ dòng điện lớn cho các quá trình công nghệ

Đọc thêm 4 tiết, làm bài tập 2