bài tập điện tử công suất nguyễn bính

Khi điôt dẫn dòng, điện áp rơi trong bản thân nó được mô Trị trung bình của công suất tổn thất trong điôt, theo định nghĩa, được... trong đớ ly, Ï là trị trung bình và trị hiệu dụng của

NGUYEN BiNH

DIEN TU CONG SUAT

BÀI TẬP- BÀI GIẢI - ỨNG DỤNG

Tái bản có sửa chữa

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng voi su phat triển mạnh mẽ của kỹ thuật uờ công nghệ bón dẫn diện, ngày nay điện tử công suốt dã giữ một 0di trò quan trong trong ky

thuật diện nói chung Môn học Điện tử công suốt dã trỏ thành môn học bắt buộc đối uói sinh Uuiên cóc ngành kỹ thuột diện, tự dộng hóa

"Điện tử công suất" uốn được coi là nuột trong những nôn cơ sở hỹ

thuật khó tiếp thu Uì nó liên quan chột chẽ uới các môn học hhác như lí

thuyết mạch, kỹ thuột diện tử, toán cao cấp: phương trình uí phôn, chuỗi, toán tử, U.U

Thế nhưng "biết cách" thì không có gì khó cả: sau khi nghe bài giảng

lí thuyết, ta "hành" bằng vai bai tập có lời giải chỉ tiết uới số liệu cụ thể thì sự hiểu biết uốn dé sé théu dao hon

Cuốn sóch này gồm 73 bài tập chẹ+ lọc, ỏ múc dộ trung bình trỏ lên,

là những bài toán thường tt nhiều gây khó khăn cho sinh uiên

Nội dung của nó được chia thành 5 phần, bao trùn: các phần chính của nôn học Điện tử công suất

Phần I: Chỉnh lưu đit, 17 bài

Phần II: Chủnh lưu tiristor, 29 bài

Phần III: Bam diện úp một chiều (hacheur, chopper), 5 bai

Phần IV: Điều chỉnh diện úp xoay chiều (graddteur), 10 bai

Phần V: Biến tần (onduleur), 12 bai

Dé bai va cac số liệu được biên soạn từ cóc tài liệu của Nga, Hungar , Pháp, Anh, Thuy SL Canada là những nước có ngành công nghiệp phái triển

_ Cách giải bài toán uờ số các công thức, phương trình được uận dung

để giải trùng hợp uới nội dung trình bày trong cuốn "Diện tử công suất" của cùng tác gid, xudt bdn nam 2000

Tóc giả có chủ ý dẫn dắt sinh vién gidi bài toún theo từng bước bút

dầu hoặc từ định nghĩa, định luột hoặc từ phương trình toán lí, sau đó

uận dụng công cụ toán học như phương phóp giải phương trình vi phân, todn tt Laplace, chudi Fourier, cho đến kết quả cuối cùng

Hy uọng cuốn sóch này ít nhiều giúp ích cho sinh uiên các trường đại

học kỹ thuật uà các ban dang lam uiệc trong ngành bỹ thuật diện nói

chung

Tac gid bay tỏ lòng biết ơn đối uới Phòng đào tạo, các đồng nghiệp trong bộ môn Tụ dộng hóa xi nghiệp công nghiệp, khoa Điện, trường Đợi học Bách khoa Hà Nội, cũng như Nhà xuốt bản Khoa học uờ Kỹ thuột đã khích lệ, động uiên nhiều để cuốn sóch sớm đến tay bạn dọc

Tac gid chan thành cảm ơn những ý hiển, nhận xét của cóc bạn đồng

nghiép, ban doc xa, gan Thu tit gop y xin giti vé dia chỉ: "Bộ môn Tụ

động hóa xí nghiệp công nghiệp, khoa Điện, trường Đợi bọc Bách Khoa

Ha Noi"

TAC GIA

MỤC LỤC

Lời nói dầu

PHẦN I CHỈNH LƯU ĐIÔT

Chỉnh lưu điôt một pha: Bài số 1 + 10

Chỉnh lưu điôt ba pha: Bai 11 + 17

PHAN II CHINH LUU TIRISTOR

Chinh luu tiristor mét pha: Bai 18 + 31

Chỉnh lưu tiristor ba pha: Bài 32 + 46

PHAN III BAM DIEN AP MOT CHIEU Bai 47 + 51

PHAN IV DIEU CHINH DIEN AP XOAY CHIEU

Diéu chinh dién ap xoay chiéu mét pha: Bai 52 + 57

Điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha: Bài 58 + 61

PHAN V BIEN TAN

Biến tần một pha: Bài 62 + 70

Biến tần ba pha: Bài 71 + 73

PHAN I CHINH LUU DIOT

BÀI SỐ 1

Cho sơ đồ chỉnh lưu điôt một pha, nửa chu kỳ, hình 1

Dòng điện tải ¡¡ cũng là dòng điện chảy trong điôt ¡; có dạng trình bày trên hình 1b Khi điôt dẫn dòng, điện áp rơi trong bản thân nó được mô

Trị trung bình của công suất tổn thất trong điôt, theo định nghĩa, được

trong đớ ly, Ï là trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng chảy trong điôt Trong sơ đồ đang xét lp = l¿ và theo định nghĩa, ta có:

a Điện trở nhiệt giữa cánh tán nhiệt và môi trudng, R,,

b Nhiệt độ vỏ thiết bị nơi trên

Ri, = Ri, + Rự = 0,8°C/W Nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và môi trường:

P = 300 W

Tổng nhiệt trở R„ = 0,2°C/W

Nhiệt độ môi trường T, = 409C

Nhiệt độ mặt ghép không được vượt quá Tim = 125°C

Hãy tính công suất tổn thất lớn nhất cho phép Pry khi làm việc quá tải trong thời gian ngắn (= 100 ms), trong khoảng thời gian này nhiệt trở quá độ chỉ còn Ringe = 0,05°C/W

a, Xác định dạng sóng dòng điện tải ¡

b Tính trị trung bình của điện áp tải U, và của dòng điện tải l,

Bài giải

a Xác dịnh biểu thúc dòng diện tải iÿ

Khi đóng nguồn điện xoay chiều, xem đit D là phần tử lí tưởng, có thể viết phương trình sau:

L ve + Riy = u = V2Usinwt Vận dụng công thức (TI.2), nghiệm của phương trình trên sẽ là:

Biểu thức của ij:

iạ = 10,295.sin(g — 1/2626) + 9,81.e7 03183

Góc dẫn dòng của điôt, ký hiệu là 4, được xác định bằng cách giải phương trình siêu việt (11.3):

sin(4 — 1/2626) — 0,9528.e9.313/

A = 4,6251 rad = 265"

Dòng điện tải ¡„, đạt trị cực đại khi 9 = 9, ứng với giao điểm của đường cong R.i, và đường cong biểu diễn điện áp nguồn Để xác định 6, ta giải phương trình:

R.I,sin(, — ø) + R.I,,e”ic#£ = V2U sind,

6, = 2,7052 rad = 155°

Trị cực đại của dòng điện tải: ;

Iym = 10,295 sin(1,4426) + 9,81.e7 0861 2 14,36 A

b Tinh tri trung binh Uy I

1 A _ 40251

Uy => ƒ ¥2Usinedé = 54 f sinéd@ = 58,7 V

10

u = V2.U sinwt; U = 70,71 V; R = 300 Q; f = 50 Hz; C = 333 uF

a Viết các biểu thức (trị tức thdi) ca ig, ic, ij

b Xác định t;, là thời điểm điôt D, bị khóa lại

c Viết biểu thức (trị tức thời) của u (t) trong giai đoạn tụ điện C phóng điện vào tải H

d Xác định t, là thời điểm điôt D, bát đầu dẫn dòng

c Biểu thức ‘ia u, trong giai doan phéng dién vao R

Khi t = ty: u(t.) = V2.Usinwt, = 100 0,9995 = 99,55 V

tị = 0/0137 s Ứng với t, la goe wt, = 314 0,0137 = 4,3 rad hoặc 24696

Goi 6, = wt, là góc mở của điôt Dị:

4, = wt, - x = 4,38 — 3,14 = 1,16 rad hoặc 6696

A, 1,16

t; = —- =—— = 3,69 ms

314 314 Khoảng thời gian D, dẫn dòng:

Vì biểu thức (1) chỉ đúng trong khoảng 6, < wt s 4, nén (wt), = (wt’),, + 6, = 0,03818 + 1,16 = 1,1918 rad hoac 68°,32

Thé (wt), vào (1) ta nhận được trị cực dai của dòng ly:

0,3094 + 3,8626 = 4,172 A

7

lim =

BAI SO 6

Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu một pha để nạp điện cho ắcquy,

cd stic dién dong E = 120 V, dong nap 1, = 40 A

Trị hiệu dụng của điện áp nguồn 1a 220 V, tan sé f = 50 Hz

a Tính t, là thời điểm thiết bị chỉnh lưu bát đầu cung cấp dòng nạp cho ácquy trong từng nửa chu kỳ

r thời giấn dẫn dòng của mỗi điôt trong một chu kỳ

b Điện trở R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu

c Tính trị hiệu dụng của dòng tải

18

d Tính hiệu suất của thiết bị

Bài giải

Sơ đồ chỉnh lưu và đồ thị điện áp chỉnh lưu trình bày trên hình 4

œ Biểu thức điện ap nguồn điện xoay chiều:

= 7,478 ms

314

ĩ

b Tính R

Trị trung bình của dòng tải, vận dụng công thức (II.17):

— 2v2.U [ Cosby —_ ¬ sind, ]

ad R IE

14

trong đó cos@, = 0,9226; sind, = 0,3856,; T = 0,02 s; 1, = 40 A

Dien ap tai uy = 1 + 3 cos2ut)

a Tinh tri trung binh cua dong tai I,

b Tính trị số của điện cảm L cần đấu nối tiếp vào mạch tải để trị hiệu dụng Ï, của thành phần xoay chiều của dong i, chỉ còn bang 10%I,

c Vẽ các đường cong in; Ìps; lạ; Ìp¿; Và Ì

v2.U 100,4 Vay 6, = ;/28°5577 hoặc 0,498 rad

c Ve cac duong cong ijy,, px 3pyg Ủy Đờ ï

Sau khi đấu cuộn cảm L vào mạch tải, có thể xem dong tai lạ được nan thang, i, = I, :

Trị hiệu dụng của điện áp nguồn xoay chiều là U, = 240 V

Tải là một điện cảm lớn, tiéu thu dong dién I, = 12 A = const Dién ap trén tai la U, = 150 V Giả thiết điện áp rơi trên mỗi điôt là 0.7 V

Hãy tính toán chỉ tiết hai sơ đồ trên và so sánh

Bài giải

Dang điện áp và dòng điện trong hai sơ đồ đang xét được trình bày trên hình 6a

a Đối uới sơ dồ chỉnh lưu diôt một pha, hơi nửa chủ kỳ:

Theo công thức II.7:

Trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp:

an

[5 —— ƒ (mi,)2dø ^= som 12d9 = 0,6975.12 = 837A

Công suất biểu kiến của máy biến áp:

S, = 240 84 = 2016 VA

S = 168,2 12 = 20184 VA

S = 2,018 kVA Điện áp ngược cực đại mỗi điôt phải chịu:

BÀI SỐ 9

Cho sơ đồ chỉnh lưu điệt cầu một pha được nuôi từ nguồn điện xoay

chiéu 50 V, 50 Hz Dong dién tai được nắn thang, I, = 60 A

a Tính các điện áp rơi do:

điện cảm nguồn L, = 0,1 mH;

mỗi điôt có điện áp rơi thuận là (0,6 + 0,002i) V;

điện trở của nguồn và dây nối là 0,002 Q

b Vẽ mạch điện tương đương của bộ chỉnh lưu

Bai giải

Sơ đồ chỉnh lưu tiristor cầu một pha, khi góc mở œ = 0, sẽ trở thành

sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu một pha

Điện áp rơi trên điện trở = 0,002 GO = 0,12 V

Điện áp chỉnh lưu lí tưởng là:

BÀI SỐ 10

Cho sơ đồ ba bộ chỉnh lưu điơt cầu một pha, được nuơi từ nguồn điện

ba pha, xem hình 8a Giả thiết:

- điện áp rơi trên mỗi điơt là Á,; = 0,7 V;

- dịng điện tải dugc nan thang I, = 60 A;

- trị trung bình của điện áp tải là U, = 300 V

a Tính trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp D;

b Tính trị trung bình và trị hiệu dụng của dịng điện chảy trong mỗi dist

c Vé dang dién ap tai u, va dang dong dién day so cap i,

d So sánh sơ đồ chỉnh lưu này với sơ đồ chỉnh lưu điơt cầu ba pha thơng thường

Bài giải

a Tinh U,

Trị tức thời của điện áp tải bằng tổng điện áp ra của ba cầu một pha Trong khoảng O,O; trên hình 8b ta co:

dụ E Hay T Mau — B2e

Uy = V2U, [sind — sin(@ — 27/3) — sin(@ — 47/3)] = 2V2U,sind Trị trung bình của điện áp do mỗi cầu tạo ra trên tải bằng một phần

ba của trị trung bình điện áp tải, do đĩ cĩ thể viết phương trình:

b Tính các dòng diện

Mỗi điôt dân dòng điện tai I, trong nua chu ky

Trị trung bình của dòng dién dist:

22 0

Tri hiéu dụng của dòng điện thứ cấp máy biến áp

1l; = lạ = 60A

c Các dường cong biểu diễn

Các đường cong biéu dién u, va ip = i), — i), được trình bày trên hình 8b

d So sánh với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

Qua so sánh các chỉ tiêu ghi trong bảng trên, có thể rút ra kết luận:

Chỉ nên dùng sơ đồ đang xét trong trường hợp điện áp tải cao

BÀI SỐ 11

Thiết bị chỉnh lưu điôt ba pha hình tia, ba điôt cấp dòng cho một mạch tai gom s.d.d E = 120 V, R = 5 Q Tri hiéu dung cia dién 4p pha la U

= 220 V, tần số nguồn điện xoay chiều là f = 50 Hz

a Vẽ đường cong của dòng điện ¡¡ chảy trong tải va cia ip chảy trong một điôt

b Tính trị trung bình của dòng i¡ và của dòng in

Tính trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến

áp

3v6U cos3wt

c Nếu xem biểu thức giải tích của uạ là uy =——— ‘1 + —

! 2x 4 tinh điện cảm L cần nối tiếp vào mạch tải để trị hiệu dụng của thành phần

xoay chiều của dong tai iy là 1, chi bang 0,114

.

1 '*° J2U sind —- E _ v2U-E [7

Ì„ =———— sinØ

L

0,06832 Trị hiệu dụng của i, la 1, =———=— = 0,lly = 2,748 A

‘ ‘ v2.L 0,06832

a Vẽ các đường cong biểu diễn các dòng điện:

trong mach tai, i,

- trong mot didt, i,,

- trong mỗi pha của nguồn dién xoay chiéu i

b Tính tri trung binh I, va I,

c Nếu biểu thức giải tích của điện áp trên mach tai là

Tại điểm A trên sơ đồ ta có thể viết:

i = ip, — ip,

b Trị trung bình của các dòng điện

Từ biểu thức của trị tức thời của dòng tải i¿ =i R ;

Nếu chuyển gốc tọa độ O sang Q' ta có:

Một bộ chỉnh lưu điôt cầu ba pha được nuôi từ nguồn điện xoay chiều

có điện áp dậy 380 V, thông qua máy biến áp ba pha nối tam giác - sao (A/Y)

Giả thiết điện áp rơi trên mỗi điột là 0,7 V và dòng điện tải được nắn thẳng, l¡ = 60 A Điện áp trên tải là 300 V

27

a Tinh trị trung bình của dòng điện điôt lj, và điện áp ngược mỗi điôt phải chịu U

b Đối uới múy biến úp:

- Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp:

Một bộ chỉnh lưu điôt cầu ba pha được nuôi từ nguồn điện xoay chiều

ba pha có công suất biểu kiến ngắn mạch 7ð kVA và điện áp dây là 220 V, xem hỉnh 11a

28

Hãy vẽ dạng đường cong điện áp tải và dòng điện nguồn khi dòng điện tải giả thiết được nan thang la I, = 140 A

Tri hiéu dụng của dòng điện ngan me a (giả thiết tổng trở nguồn là thuần kháng):

Định 25000 Iam = =———— = 196,85 A

U 127 Điện kháng của một pha nguồn: ,

U 127

X =—— = = 0,645 Q

Tam 196,85 Xác định góc trùng dẫn

_ Theo công thức (V.34) đối với chỉnh lưu tiristor cầu ba pha:

2 0,645 140 cosas = | — ——=———_ = 0,41945

v6.127 = 6892

Kết quả này không chấp nhận được, vì trong một chu kỳ 360° có 6 lần

360 chuyển mạch, giới hạn của mỗi lần chuyển mạch là /(¡ =—g—= 60° Phai giải bài toán theo cách khác

Nhận xét:

Khi D, và D, trùng dẫn, D, dat điện thế điểm B (lúc này u, > 0) vào

29

catôt của D, khiến Dự, bị phân cực ngược, do đó D; không thể chuyển dòng điện tải sang D, như bình thường được D, tiếp tục đơn dẫn thêm một khoảng nữa, cho đến khi sự chuyến mạch từ D, sang D, két ths Tình hình diễn ra giống như các điôt là những tiristor với góc mở @ nao 4

Để xác định góc a, cd thể xem sơ đồ đang xét là sơ đồ chỉnh lưu t:*t.tor

a = 5%

Duong cong biéu dién ‘dién ap tai u’, và dòng điện nguồn i, = i,, -

¡¿ được trình bày trên hình 11b, với góc a duge vẽ lớn hơn một chút

BÀI SỐ 15

Cho sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu một pha và sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu ba pha Giả thiết dòng điện tải được nắn thang i, = I, va bé qua điện áp rơi trên các phân tử, bỏ qua hiện tương trùng dẫn

a Vẽ dạng điện áp tải và dòng điện nguồn xoay chiêu của hai sơ đồ chỉnh lưu

b Xác định hệ số công suất đầu vào cosw và tỉ số sóng cơ bản T,¡ của dòng điện nguồn xoay chiều của hai sơ đồ chỉnh lưu

trong do 'I va I Ja trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản của dòng điện nguồn ¡„ và trị hiệu dụng của dòng điện nguồn Ì,

Dòng điện nguồn ¡„ của cả hai sơ đồ có dạng "hình sin chữ nhật" và

"hình sin gân chữ nhật" Chúng là những hàm số lẻ, có chu kỳ 2L = 2z Khai triển Fourier cia chúng có dạng:

L = b sinwt + b,sin2wt + b„sinnoœt + ,

trong đó b,„ là biên độ cực đại của sóng bậc n

Sa 1 nzr8

b, = J Ty.sin——d6, n = l, 2, 3

Đối với sơ đồ cầu một pha:

31

Trường hợp sơ dồ cầu một pha

Hệ số công suất cosø = Vals ;

cosy = Baty trong do:

Bur”

3V6U

do „

1 51/6 / 2

3

A alo

3 cosp =—— = 0,9549

7 Trị hiệu dụng của thành phần cơ bản của dòng điện nguồn Ï,:

Hình 12

30

Cho sơ đồ chỉnh lưu điôt ba pha, kiểu tỉa %6 Le

nhu trén hinh 13 CO} OH Mạch tải gồm điện trở R nối tiếp với điện

cảm L Bằng các dụng cụ đo lường, người ta “oe L,

đo được các số liệu sau: OHH

Do có xét hiện tượng trùng dẫn (L, # 0) nén điện áp chỉnh lưu đích

thực đo được là Ư'y = 217 V l

a Quan hệ giữa trị trung bình của dòng tải và trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp?

v3I, = lạ = v3.ỗ00 = 866 A

- Ư, — 917 R=—* =—— = 0,25 Q

cosa — cos(œ + ) = 2.X.1/V6.U;

Trong trường hợp đang xét, œ = 0 Ta có:

Điện áp dây của lưới điện là U = 415 V

Mạch tải gồm điện trở R nối tiếp với điện cảm L (L = ~)

Trị trung bình của điện ap tai la U, = 200 V và của dòng tải là I, =

30 A

a Vẽ các dòng điện i,,, i,3, i

b Tính công suất của máy biến áp

Bài giải

Đặt U, là trị hiệu dụng của điện áp mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến

áp (có 6 cuộn dây thứ cấp có số vòng bằng nhau)

ly = NVN).đ¿y — Tay),

trong đó Ñ¡ và N; là số vòng dây của mỗi cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tương ứng

Ó đây l2 = ig; Uy = igs Py3 = ing:

Các đường cong biểu diễn điện áp và dòng điên được trình bày trên hình 14b

b Tính công suất máy biến áp

3v6.Uy

Ủạ =———— = 2300 V

2z 2z.200 —

3v6 Trị hiệu dụng của điện áp mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp:

2z.200 .= —— = 98,73 V 3V18

Trị hiệu dụng của dòng điện thứ cấp:

I, = I/V3 = 30/3 = 1732 A

Trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp:

/ 2 / 9 l; =m 37 lạ = 0,412 3 đ0 = 10,09 A

Công suất phía thứ cấp:

S, = 6U,1, = 6 98,73 17,82 = 10,260 kVA

Công suất phía sơ cấp

415 S$, = 30,1, = 3—— 10,09 = 7,253 kVA

v3 Công suất máy biến áp:

S = (S, + S,)/2 = (10,26 + 7,253)/2 = 8,76 kVA

37

PHẦN II

CHỈNH LƯU TIRISTOR BÀI SỐ 18

Cho sơ đồ chỉnh lưu tiristor một pha, nửa chu kỳ, trình bày trên hình „2 15a Trị hiệu dụng của điện áp nguồn bằng 240 V, tần số f = 50 Hz Mach tải gồm điện cảm L = 0,1 H nối tiếp với điện trở R = 10 Q Góc mở tiristor

a Xác định dạng sóng dòng điện tai ig

b Tính trị trung bỉnh của điện ap tai Uy va dong dién tai I,

a Xac định biểu thúc của dòng điện tải lạ

Khi cấp xung điều khiển mở tiristor ta có phương trình:

dig

LS + Riy = V2Usin(@@ + a) / Vận dụng công thức (IV.2) Nghiệm của phương trình trên sẽ là:

lạ = lgin( + a — ø) — I_sin(œ — œ).e 9.cte? ,

38

L xX 10 trong do: tgp =—- =— = eR R10 = a, y = 1,2626 rad = 72°34 ee

Đường cong biểu diễn ¡; được trình bay trên hình 15b

b Tinh trị trung bùnh Uy, Iq

Van dung cong thiic (IV.4):

= 50 Hz Dién 4p 6n ap cua diét Zener D, la UZ = 15 V, R = 15 kQ, C

= 0,2 ¿F, = 0,5 (hệ số cấu trúc cua UJT)

(Cho phép xem R, = 0 khi điện áp giữa hai cực của D„ nhỏ hơn Ũ)

a Tính thời gian xuất hiện xung thứ nhất do UJT phát ra

b Tính chu kỳ xung

c Chỉ ra những xung nào là:xung đồng bộ

39

Điện áp giữa hai cực của D„ là u được vẽ trên hình 17a, là nguồn điện

áp nạp điện cho tụ điện C Trong vùng 0 < t

hàm tuyến tính, u = at

< t„ có thể xem u là một Trong vung t, < t < T/2 thiu = U, = 15 V

v2.110 t„ = 0,307 ms

Viết phương trình trên dưới dạng toán tử Laplace, sơ kiện bằng 0:

ab pU(p) + bU(p) =>

p Up) ab

u

72V Ute

Viết dưới dạng toán tử Laplace với sơ kiện: khi t = 0 thỉu, =u

Bay gid 6, = wt, = 314t, = 0,7 rad hoac 40°2

b Tinh chu ky xung