Các khái niệm cơ bản Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện 1 chiều Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất điôt, tranzitor, tir
Trang 1Chương 2 THIẾT BỊ CHỈNH LƯU
2.1 Các khái niệm cơ bản
Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện 1 chiều
Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất (điôt, tranzitor, tiristor…) Tùy theo thiết bị chỉnh lưu mà người ta phân thành:
* Chỉnh lưu không điều khiển (dùng điôt)
* Chỉnh lưu có điều khiển (dùng tiristor)
Để chỉnh lưu tín hiệu công suất nhỏ thường dùng bộ chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu tín hiệu công suất lớn thường dùng bộ chỉnh lưu 3 pha Điện áp
và dòng điện sau chỉnh lưu có chiều không thay đổi nhưng vẫn dao động
về trị số, để hạn chế dao động thường người ta cho qua bộ lọc
Sơ đồ khối
2.2.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển
a) Sơ đồ hình tia:
Error: Reference source not found
* Nguyên lý:
- Trong khoảng 0 :
- Trong khoảng 2 :
+ Tải trở: ud , id (id=
R
ud
) và ngược lại
Trang 8
Đ1
Đ2
Z
U1
U22
U21
id
ud
u,i
2
0
Tín hiệu vào XC
bộ chỉnh
Tín hiệu
Tín hiệu ra 1C còn dao động
u21= 2 V2sin t 2 V2sin u22=- 2 V2sin t 2 V2sin
Trang 2+ Tải trở kháng: ud , id tăng chậm hơn
+ Tải có nguồn:
ud= i.R+ E i=
R
E
ud
Trong khoảng từ 0 << dòng chỉ xuất hiện khi ud >E
- Giá trị trung bình của điện áp tải:
0
2 0
d 2
0
2
2 d u 2
2 d u 2
1
- Giá trị trung bình của dòng tải:
* Tải R: Id =
R
Ud
* Tải R+E: Id=
R
E
U d
- Giá trị trung bình của dòng qua điôt:
ID1 = ID2 =
2
d
I
- Giá trị dòng điện tức thời qua Điôt:
2 R
sin
2 2
21
d I
V R
u
- Giá trị hiệu dụng dòng điện trong cuộn thứ cấp MBA
T
I d
I d
i
sin ( 2
1 1
0
2 0
2 2
- Giá trị hiệu dụng của dòng sơ cấp biến áp
I1=
ba
m
k
I
2
2
=
2 2
I k
1 d
ba
Trang 9
id
ud
u,i
2
0
id
R E
-id
ud
u,i
2
0 E
Trang 3- Công suất cuộn dây thứ cấp:
S2 = 2.V2.I2 = 2 U d I d
4 2 2
= 1.74Pd
- Công suất cuộn dây sơ cấp:
ba
d I k
U
2 2 2
2
= 1.23Pd
- Công suất máy biến áp:
Sba = (S1+S2)/2 = 1.48Pd
* Nhận xét:
- Để đảm bảo công suất tải là Pd thì công suất lắp đặt của MBA lớn gấp 1.48 lần
- Dòng điện qua 1 pha bằng ½ dòng tải, điện áp ngược gấp 2 lần biên độ nên sơ
đồ hình tia dùng trong trường hợp tải có dòng lớn và điện áp thấp
b) Sơ đồ hình cầu:
* Nguyên lý:
+ Xét tải thuần trở:
- Điện áp chỉnh lưu trung bình:
Ud=
0
m 2 m
2
U 2 d sin U 1
- Dòng trung bình qua điôt bằng:
ID=
2
Id
- Điện áp ngược lớn nhất trên điôt
Ungmax= U2m= 2U2
- Giá trị hiệu dụng của dòng sơ cấp biến áp
I1=
ba
2
k
I
=
2 2
I k
1 d
ba
(với I2 được xác định như trên)
- Công suất máy biến áp:
Sba = (S1+S2)/2 = V2I2 = U d I d
2 2 2 2
=1.23Pd (bỏ qua tỉ số biến áp, dòng sơ và thứ cấp đều có dạng sin nên S1 = S2)
* Đồ thị dòng điện, điện áp
Trang 10
Đ3
Đ4
id Z
Đ2
Đ1 A
B
u2
i2
u
θ
θ
θ
θ
uD1
θ
0
0
iD1,iD3
iD2,iD4
0
i1
0
0
u2
ung.max
id
ud
u2
Trang 4* Nhận xét:
- Sơ đồ cầu dùng MBA tốt hơn sơ đồ hình tia vì công suất lắp đặt MBA chỉ hơn công suất chỉnh lưu 1.23 lần
- Sơ đồ cầu phù hợp với tải có dòng nhỏ, điện áp cao vì điện áp ngược mỗi điôt phải chịu chỉ bằng biên độ của áp nguồn
- Tuy nhiên tổn thất công suất và điện áp trong sơ đồ cầu lớn hơn sơ đồ hình tia
2.2.2 Chỉnh lưu 1 pha có điều khiển
a) Sơ đồ hình tia:
Trang 11
T2
U
U22
U21
T1
u i
Trang 5Error: Reference source not found
* Nguyên lý:
T1, T2 được điều khiển bằng iG1, iG2 với iG1 chậm sau u21 một góc
iG2 chậm sau iG1 một góc
Để id liên tục thì điều kiện là: với R
L arctg
b) Sơ đồ hình cầu:
Error: Reference source not found
Các xung điều khiển iG1, iG3 xuất hiện sau u2 một góc
iG2, iG4 xuất hiện sau u2 một góc
* Nguyên lý:
- Trong khoảng 0 u2 0 T1, T3 phân cực thuận
- Trong khoảng 2 u2 < 0 T2, T4 phân cực thuận
+ Tải trở:
+ Tải trở kháng: do có cuộn dây L nên id tăng hay giảm chậm hơn so với
ud
Để id liên tục thì T1, T3 chưa tắt phải kích mở T2, T4
Trang 12
T3
T4
id Z
T2
T1 A
B
u2
i2
ud,id
ud
id
iG1,iG3 iG2,iG4
iG
θ
α
π+α
θ
Trang 6* id được xác định theo phương trình:
dt
di
m 2
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
cos U
2 d sin U 2
2
m 2 m
2
Khi thay đổi từ 0 2 có thể điều khiển Ud từ 2U2m 0
* Đồ thị dòng điện và điện áp trên tải:
* Hiện tượng trùng dẫn:
Do cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, tại dòng qua T2,T4 chưa giảm đến 0 nên các T2, T4 vẫn mở Đồng thời tại vị trí này T1, T3 phân cực thuận và có tín hiệu điều khiển các Ti mở Cả 4 Ti cùng mở gọi là hiện tượng trùng dẫn, khi có hiện tượng trùng dẫn Ud = 0 bắt đầu từ đến khi iT2, iT4 giảm đến 0 tại
+ Chứng minh ud = 0
+ T1, T2 cùng mở 2 nguồn u21 , u22 nối lại với nhau
+ i1 + i2 = Id = const
+ Quá trình chuyển mạch từ T1 sang T2
Gọi ic là dòng chuyển mạch (dòng ngắn mạch), uc là điện áp ngắn mạch
uc = u22 – u21 = 2Lcdic/dt
Trang 13
ud, id
ud
id
θ
α
iG
α + θ
Trang 7= 2 2U2sin = 2Xcdic/d
ic = 2 2 (cos cos( ))
c X U
Kết thúc quá trình chuyển mạch i1 = 0, i2 = Id
cos-cos(+) = XcId/ 2U2
+ Giá trị trung bình Ud một lượng U :
U =
d c m
2 m
2
I X 2 )]
cos(
[cos
U t td sin U 1
2.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia không điều khiển
* Sơ đồ:
Error: Reference source not found
* Nguyên lý:
Để có dòng qua tải thì u2 > E
Dòng qua tải liên tục khi E <
2
U
Trang 14
U2a
U2b
D1
D2
D3
iD1
iD3 N
iD2 M
A B
ud
u
2
Điện áp các pha thứ cấp biến áp
u2a= 2 U 2 sin
3
2 sin(
U
3
4 sin(
U
T1
id
T2
T2
u2a u2b u
2c
Đ1 u
3
0 E
ud
2π θ
Trang 85 6
: Đ1 mở
6
9 6
: Đ2 mở
6
13 6
: Đ3 mở Trong một chu kỳ ud gồm các chỏm hình sin
+ Giá trị trung bình của điện áp tải, dòng tải
Ud =
U 3 ) 6
5 cos 6 (cos U 2 2
3 d sin U 2 2
5
6
2 2
Id =
R
Ud
Nếu có E thì: Id =
R
E
Ud
+ Điện áp ngược cực đại trên mỗi điôt Ungmax
uD1= u2a- u2b = Umsint- Umsin( t 120 )
= Um.2.cos(2t-120o).sin(120o) = 3 Umcos( 2 t 120 ) UD1max = 3 U m
+ Giá trị trung bình dòng chảy trong điôt:
ID =
3
Id
+ Giá trị hiệu dụng qua cuộn sơ cấp MBA
2
0
2 2
2
1
d
i =
3 2
1 5 / 6 6 /
d
I d
I
+ Công suất MBA
S = (S1 + S2)/2 S1 = 3U1I1 = 1.209Pd, S2 = 3U2I2 = 1.481Pd
2.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển
* Sơ đồ:
Trang 15
U2a
U2b
T1
T2
T3
iD1
iD3 N
iD2 M
A B
U2c C
Trang 9Error: Reference source not found
* Nguyên lý:
iG1, iG2, iG3 các xung điều khiển cách nhau
3 2
Trong mỗi chu kỳ tại góc pha
6
1
3
2 6
2
3
4 6
3
do trong mạch tải có L nên id liên tục
* Giá trị trung bình điện áp, dòng điện
cos U 2
6 3 d sin U 2 2
3
2 6
5
6
2
Ud = Udo.cos góc điều khiển Khi thay đổi :0 180 o thì Ud thay đổi Udo 0
Id =
R
E
Ud
IT = Id/3 Tại 1: T2 chịu điện áp ngược Ungc = UAB = Udây = 3 U 2 m
* Đồ thị điện áp tải,và dòng qua các tiristo:
Trang 16
id
u
E
ud
3
1
ud
θ
Trang 10* Trùng dẫn:
Do dòng điện trong cuộn dây L tăng hay giảm chậm hơn so với điện áp nên các T không thể đóng mở tức thời được, vì vậy có hiện tượng các Ti cùng dẫn gọi là hiện tượng trùng dẫn Khi có trùng dẫn tương tự hiện tượng ngắn mạch
2 pha, trong quá trình trùng dẫn điện áp chỉnh lưu bị nhỏ đi
T1 đang dẫn id = iT1, tại 2 cho xung điều khiển mở T2 cả 2 Tiristor T1, T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea, eb
+ Điện áp ngắn mạch:
un = eb- ea = U2msin( )
3
2
- U2msin
= U2m.2cos( )
3 sin(
) 3
3 cos(
U
+ Dòng điện ngắn mạch xác định theo phương trình:
un = 2Xc
d ) 3 cos(
3 X
2
U i dt
2 c
m 2 n n
3 sin(
) 3
[sin(
X 2
U 3
2 2
c
m
ic iT2 : T2 mở hoàn toàn
ic iT2 : T1 đóng
Khi đó iT2 = in= I’d
m 2
d 2 2
2
U 3
'I X 2 )]
3 sin(
) 3 [sin(
Trang 17
θ
iG
id
T2
T3
T3
T1
iT1
iT2
iT3
Trang 11Có hiện tượng trùng dẫn điện áp chỉnh lưu giảm gây sụt áp U với
Xc = LC: điện cảm lúc trùng dẫn
+ Điện áp tải Ud khi trùng dẫn:
ea - LC dt
diT1
= ud
eb - LC dt
diT2
= ud ud = ea 2eb iT1 + iT2 = Id = const
+ Độ giảm điện áp khi trùng dẫn:
2
2 2
2
d ) 3 cos(
U 3 2
3 d ) 2
e e e ( 2
3
m 2 b
a b
3 sin(
) 3
[sin(
4
U 3 3
2 2
m
2
' I X
3 C d
+ Điện áp trên tải khi có hiện tượng trùng dẫn:
Ud’= Ud - U =
I X 3 cos U 2
6
2
* Đồ thị Ud’, iT khi có trùng dẫn:
2.4.1 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu không điều khiển
* Sơ đồ:
Error: Reference source not found * Nguyên lý:
- Bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ:
6
3 6
: D1, D6 mở, ud = u2a – u2b
6
5 6
: D1, D2 mở, ud = u2a – u2c
Trang 18
N
U2c
U2a
U2b
D1
D4
D3
D5
M
A
B C
id
ud
E R L
(ea+eb)/2
2
u’d
3
1
iT
Trang 127 6
: D3, D2 mở, ud = u2b – u2c
6
9 6
: D3, D4 mở, ud = u2b – u2a
96 116 : D5, D4 mở, ud = u2c – u2a
116 136 : D5, D6 mở, ud = u2c – u2b
+ Điện áp ngược max mà mỗi điôt phải chịu
UDm = 3 U 2 m
+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
d ] 3
2 sin(
U sin U [ 2
6 6 3
6
m 2 m
2
3
2 6 cos(
) 3
2 6
3 cos(
6
3 cos 6 [cos U 2
6
m 2
=
m 2
U 3 3
+ Gía trị trung bình của dòng tải:
Id =
R
E U d R
E u 2
3
6
+ Giá trị trung bình dòng chảy trong mỗi điôt
R
E u 2
3
6
d
* Đồ thị điện áp tải, dòng qua điôt:
Error: Reference source not found
Error: Reference source not found
2.4.2 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu có điều khiển:
Trang 19
N
U2c
U2a
U2b
T1
T4
T3
T5
M
A
B C
id
ud R L E
ud
0
ud
E
iD1
iD3
iD5
π/
π/
5π/
6
9π/
6
θ 2π
π
Trang 13* Sơ đồ:
Error: Reference source not found
Nhóm anôt chung: T1, T3, T5
Nhóm catôt chung: T2, T4, T6
Với u2a = U2msint
u2b = U2msin(t-
3
2
) u2c = U2msin(t-
3
4
)
* Nguyên lý:
* Bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ:
6
3
6
5 6
3
: T1, T2 dẫn
6
7 6
5
: T3, T2 dẫn
6
9 6
7
: T3, T4 dẫn
6
11 6
9
: T5, T4 dẫn
6
13 6
11
: T5, T6 dẫn
* Đồ thị điện áp tải:
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
2
0
d d u 2
1
d ] 3
2 sin(
U sin U [ 2
6 6 3
6
m 2 m
2
Trang 20
u2a u2b u2c
ud
1 2 3 4 0
5 3
1
2π
Trang 14= )]
3
2 6
cos(
) 3
2 6
3 cos(
) 6
3 cos(
) 6 [cos(
U 2
6
m 2
U cos 2
3 6
m 2
* Hiện tượng trùng dẫn: Giả thiết T1, T2 đang dẫn dòng
Tại 3 cho xung điều khiển mở T3 Do LC 0, iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 Id và iT1 không thể giảm đột ngột từ Id 0 Nên T1, T2, T3, đều dẫn dòng, 2 nguồn ea, eb bị nối ngắn mạch
+ Điện áp ngắn mạch:
uc = eb – ea = ) 2 U sin
3
2 sin(
U
3
4 cos(
U 3 ) 3 sin(
) 3 cos(
U 2
+ Dòng ngắn mạch ic:
uc= 2Xc dt
dic
3
4 sin(
X 2
U 3 d
X 2
u
c
m 2 c
c 3
3
4 sin(
) 3
4 [sin(
X 2
U 3
3 c
m
ic cùng chiều với iT3 làm cho iT3 tăng từ 0 đến Id
ic ngược chiều với iT1 làm cho iT1 giảm từ Id đến 0
+ Dòng điện chảy trong T1, T3 là:
iT1 = Id - ic
iT3 = ic
iT1 + iT3 = Id = const
Giả thiết khi 3 quá trình trùng dẫn kết thúc: iT1 = 0
ic = Id
3
4 sin(
) 3
4 [sin(
X 2
U 3
3 3
c
m
Mà
m 2
d c 3
3
U 3
I X 2 ) 3
4 sin(
) 3
4 sin(
+ Hình dạng điện áp trong giai đoạn trùng dẫn:
ea - ec = c T1 u d
d
di X
eb - ec = c T3 u d
d
di X
ud = a b e c
2
e e
Trang 21
3
Trang 15Do trùng dẫn nên áp chỉnh lưu giảm đi một lượng
2
e e e e ( 2
6
c b 3
3
d 2
e e 2
3
a b
3
3
3 XcId
U
2.5 Nghịch lưu phụ thuộc và bộ biến đổi kép
2.5.1 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc
Ở chế độ chỉnh lưu dòng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình
ud luôn cùng chiều, công suất P= UdId > 0, với Ud = Udocos
(Udo=
m 2
U 2
: giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu điôt) khi tăng góc điều khiển cos 0 U 0
dấu Để mạch làm việc có dòng điện liên tục thì: L lớn
E < Udo < 0 Dòng id chỉ có thể đi theo 1 chiều từ anôt đến catôt của mỗi Ti do đó id và Id luôn luôn dương nên P < 0 Điều này có nghĩa là tải 1 chiều đã trở thành nguồn phát
và công suất truyền ngược từ phía tải về phía nguồn, bộ biến đổi chuyển sang chế
độ nghịch lưu Ở chế độ nghịch lưu lưới xoay chiều nhận công suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp công suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sóng và tần số của điện áp xoay chiều, người ta nói sơ đồ này làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc “ phụ thuộc tức là phụ tải không thể tự phát ra công suất 1cách độc lập mà do nhận CSPK của nguồn xoay chiều”
Trang 22
(ec+eb)/2 (ec+ea)/2
(ea+eb)/2
Trang 16* Điều kiện làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc:
+ 2và E < 0
+ Tải là một nguồn phát, sức điện động của tải phải lớn |Ud|<< E
+ Đảo chiều của tải
* Khi góc 2 và E < 0, sơ đồ mạch có dạng như sau:
Error: Reference source not found
2.5.2 Bộ biến đổi kép:
Là bộ biến đổi gồm 2 bộ biến đổi riêng rẽ ghép song song ngược, có thể đảo chiều dòng điện
* Sơ đồ: gồm 2 bộ biến đổi G1, G2 và cuộn kháng cân bằng Lc
Trang 23
L
L
M1
M2
Trang 17Trang 24
Trang 18Sơ đồ hình cầu 3 pha kép Sơ đồ hình tia 3 pha kép
* Nguyên lý hoạt động:
- Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu Nếu 1
là góc mở đối với G1, 2là góc mở đối với G2, thì sự phối hợp giá trị 1và
2
phải thực hiện theo quan hệ: 1+ 2 = 180o Sự phối hợp này gọi là phối hợp tuyến tính
- Giả sử cần động cơ quay thuận cho G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu o
1 0 90
Ud1= Uocos 1> 0, G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu 2> 90o, Ud2= Uocos 2< 0
Cả 2 điện áp đều đặt lên phần ứng động cơ M, M chỉ chạy theo chiều thuận vì các Tiristo không thể cho dòng chảy từ catôt sang anôt
Khi 1= 2= 90o, Ud1 = Ud2 = 0 động cơ ở trạng thái dừng
2.6 Bộ lọc:
Bộ lọc là phần tử trung gian giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện 1 chiều nhằm san phẳng điện áp và dòng điện chỉnh lưu Đặc tính cơ bản của bộ lọc là cho phép dòng điện có tần số nào đó thông qua và ngăn trở các dòng điện tần số khác Trong lĩnh vực điện tử công suất thường sử dụng 2 bộ lọc:
+ Bộ lọc điện cảm: còn gọi là cuộn kháng san bằng thường sử dụng trong các bộ
chỉnh lưu công suất lớn, do tác dụng san bằng nên giảm được hệ số hình dáng của dòng điện chỉnh lưu
Error: Reference source not found
Tác dụng lọc sẽ hiệu quả hơn khi dòng điện tải lớn Khi điện cảm L lớn, dòng điện qua điện cảm và điện áp ra vd là không đổi và có dạng hình chữ nhật, khi L nhỏ, dòng qua điện cảm có hình nhấp nhô Nếu điện cảm quá nhỏ, dòng điện giảm đột ngột bằng không
và trở nên không liên tục
Giá trị điện cảm tối thiểu để duy trì dòng điện một chiều gọi là điện cảm tới hạn Lc Đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ : Lc=
f 6
R
Đối với chỉnh lưu nhiều pha : Lc= 3 m(mR2 1f
Trang 25
vd
Chỉnh lưu v R
L
L
Trang 19m là tỉ số tần số sóng thấp nhất trên tần số điện áp vào, ví dụ chỉnh lưu 3 pha thì m= 6
+ Bộ lọc tụ điện: san bằng điện áp chỉnh lưu
Error: Reference source not found
- Điện áp trên tụ biến thiên giữa giá trị cực đại Um và cực tiểu Um- Ur, khi điện áp biến thiên nhỏ có thể tính gần đúng :
Ur= fURC r
m với fr là tần số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu
- Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
Ud= Um(1- 2f1RC
r )
Trang 26
L
R C
Chỉnh
