bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng, quảng cáo. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ như quạt, máy bơm, máy xoay, hay động cơ vạn năng như máy trộn, máy sấy

Chương 3

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Dùng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều ngõ ra

Các ứng dụng:

 Điều khiển công suất các tải điện trở

 Điều khiển chiếu sáng

 Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha & 3 pha, động cơ vạn năng

 Dùng trong các hệ thống bù nhuyễn

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần trở (tải R)

Góc kích: 0o    180o

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần trở (tải R)

Trị hiệu dụng áp trên tải:

1 2

1 2

2

sin 21

t

2 t

2

2 sin 1

U

U I.

U

R /

U S

( R 2

U dx

x sin

R

U 2

I VRMS  t

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần cảm (tải L)

Với góc kích

2



  :

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần cảm (tải L)

Với góc kích

2



  : Trị hiệu dụng áp trên tải:

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần cảm (tải L)

Trong ứng dụng với tải thuần cảm (L), thành phần hài cơ bản của dòng tải

có ý nghĩa quan trọng & tính bởi công thức:

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải thuần cảm (tải L)

Với góc kích

2



  :

Điện áp tải = điện áp nguồn

 Không thể điều khiển áp trên tải

Biến thiên áp ngõ ra theo góc kích

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải RL

Gọi   arctan(  L R / ) : góc kích tới hạn

Với    : dòng tải gián đoạn & áp ngõ ra điều khiển được theo  Với    : dòng tải liên tục & áp ngõ ra không điều khiển được

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trường hợp tải RL

Biến thiên áp ngõ ra theo góc kích

TRỊ HIỆ U DỤNG Á P TẢ I

TRỊ HIỆ U DỤNG DÒ NG TẢ I

HỆ SỐ CÔ NG SUẤ T

( 2

1 ( 2

điều khiển được áp tải

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Cấu hình bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Phân tích hoạt động của BBĐ điện áp xoay chiều 3 pha khá phức tạp

 thường sử dụng các chương trình mô phỏng

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Tải R, góc kích   30o

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Tải R, góc kích   75o

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Tải R, góc kích   120o

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Tải R=10, L = 10mH, góc kích  75o

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha

Tải R=10, L = 10mH, góc kích   120o

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Biến thiên điện áp hiệu dụng ngõ ra với góc kích 

Công tắc xoay chiều

Tên gọi tiếng Anh: Solid state relay, Semiconductor relay…

Có thể hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh, không gây phóng điện

Có tổn hao trên linh kiện bán dẫn  Cần giải nhiệt

Sử dụng trong: đóng ngắt động cơ, chuyển mạch nguồn cho lưới điện, chuyển mạch trong hệ thống UPS…

Công tắc xoay chiều 1 pha

Công tắc xoay chiều 1 pha

Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời

điểm áp lưới qua zero

Đóng cắt không đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero

Công tắc xoay chiều

Đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero

Thời điểm tắt dòng tải

Điện áp nguồn

Dòng tải

Tín hiệu

điều khiển

Công tắc xoay chiều 3 pha

Công tắc xoay chiều 3 pha

Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha

Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Điều khiển pha:

 Phương pháp thông thường:

điều khiển kích dẫn theo góc kích   nhiều sóng hài điện áp

 Phương pháp chuyển mạch cưỡng bức:

- Điều khiển kích dẫn & kích tắt

- Điện áp ngõ ra có thể được điều khiển theo kiểu điều rộng xung  giảm sóng hài

- Cần sử dụng các linh kiện có thể kích tắt (transistor, GTO…) hoặc SCR với mạch tắt cưỡng bức

Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time duty ratio control)

Sử dụng contact xoay chiều, đóng ngắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero Chu kỳ đóng ngắt công suất cho tải: T = nTs (Ts: chu kỳ áp lưới)

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.1:

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha cấp nguồn cho tải thuần trở R=10

Nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng 220V, 50Hz Góc điều khiển  

2 [ rad ]

a Tính trị hiệu dụng áp tải

b Tính công suất tiêu thụ của tải

c Tính hệ số công suất

d Để đạt được công suất tải bằng 4 kW, tính độ lớn góc kích 

e Định mức linh kiện sử dụng

56 , 155 220

U U

P I.

U

P I.

U

P S

P PF

t

t t

t t

.

2 2 2

sin 2

1

U 2

2 sin 1

U

2 1

2

1 t

56 ,

155

P

U R

1 dX R

u 2

1 dX

i.

u 2

1

P

2 t

2 0

2 0

2 t

2 t t

t t

U t (V)

Góc kích (rad)

Ví dụ tính tốn

e Á ùp làm việc lớn nhất của SCR:

] [

U

U DWM  RWM  220 2  311

Chọn hệ số an toàn áp: K u = 2,5

ta có tham số SCR cần chọn thỏa mãn điều kiện:

UDRM = URRM > 2,5.311 = 778[V]

Trị trung bình dòng qua SCR (=0):

] A [ 9 , 9 10

.

220

2 R

.

U 2 I

dX R

X sin U

2 2

1 dX

i 2

.

sin

R

U dX

R

X U

10 2

220

2 2

2

2 2

1 2

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.2

Công tắc xoay chiều ba pha dạng đầy đủ mắc vào tải theo cấu hình sao

Công suất tải P= 20kW, hệ số công suất 0,707

Tính đđịnh mức áp và dòng cho linh kiện Áp nguồn có trị hiệu dụng áp dây 440V

Lưu ý: Khi tính chọn SCR cần biết:

- Điện áp ngược cực đại cĩ thể đặt lên SCR,

- Dịng trung bình , hoặc dịng hiệu dụng qua SCR

cos

U

U DWM  RWM  2  2 440  622 3

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.3

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha mắc vào tải L

Tính trị hiệu dụng áp và dòng tải khi

3

2 

  [rad]

Tính công suất phản kháng của sóng hài cơ bản

Cho biết L=0,01H, áp nguồn U = 220V,  = 314 rad/s

L

I t

2 3

2 2 sin 3

2 1 2 220 2

2 sin 1

2

2 2 sin

3 3

2 cos 2 1 3

2 1 2 01 , 0

sin 2

2 L

U

I ( 1 ) S

] A [ 395 , 27

I

3

2 2 sin 3

2 2 2

01 , 0 314

220 I

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.4

Mạch động lực của bộ bù nhuyễn một pha như hình vẽ

Dòng bù được điều khiển bằng cách thay đổi góc kích  trong khoảng 

Áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng U = 220V,  = 314 rad/s

Công suất bù của tụ QC = 10 kVAr

a/- Tính độ lớn cuộn kháng L để có thể bù công suất

với độ lớn thay đổi từ Qmin=0 đến Qmax = 10 kVAr

b/- Với L tính được, xác định dòng bù tổng ( hài cơ bản)

ứng với các trường hợp góc điều khiển 1  2   3   4  

6

5 3

2

Ví dụ tính toán

Ví dụ tính toán

Ví dụ tính tốn

Giả i:

a/- Tính L để có thể bù từ Qmin=0 đến Qmax = 10 kVAr

Công suất bù của tụ:

2

2

U C X

,

1

6

U U

C j i

L

.

1 L 1

Ta có kết quả:

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.5:

Cho bộ biến đồi điện áp xoay chiều một pha, tải RL,

Điện áp nguồn U = 220V, tần số nguồn ac f=50Hz

Kết luận gì về tính liên tục của dòng tải trong các trường hợp sau:

] [ ,

,

rad

rad arctg

R

L arctg

523

0 6

3042 0

10

01 0 314

 Dòng tải gián đọan

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 3.6

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha điều khiển theo phương pháp tỉ lệ thời gian

Áp nguồn xoay chiều U = 220V,  = 314 rad/s

Thời gian đóng 1s, thời gian ngắt 0,5s Tải thuần trở R = 50

a/- Tính trị hiệu dụng điện áp tải và dòng tải

b/- Tính công suất tải

c/- Tính hệ số công suất nguồn

1 220 T

T U

Do tải R nên trị hiệu dụng dòng tải 3 , 592 [ A ]

50

6 ,

179 R

U

I t  t  

b/- Công suất tải R:

] W [ 333 , 645 50

6 ,

179 R

U

P R  t 2  2 

c/- Hệ số công suất nguồn

8166 ,

0 592 , 3 220

333 ,

645 I.

U

P S