BIẾN ĐỔI ACAC MỘT PHA(ACAC CONVETER)

Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm. Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường.

BÀI BÁO CÁO

Biến Đổi

AC-AC một pha tải R và R+L

BÀI BÁO CÁO

Biến Đổi AC-AC một pha tải R và R+L

Giới thiệu chung về môn Điện tử công suất.

- Điện tử công suất là gì ?

Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm

Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường

- Giới thiệu:

- Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng

năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và

số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt)

Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ

đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn

nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được Với đối tượng nghiên cứu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, Điện tử công suất còn có tên gọi là "Kỹ thuật biến đổi điện năng" Để phân biệt với các chuyên ngành khác của kỹ thuật điện tử liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu với mức điện áp thấp và dòng điện nhỏ, Điện tử công suất còn được gọi là "Kỹ thuật dòng điện mạnh" Tuy nhiên Điện tử công suất cũng nghiên cứu các sơ đồ mạch điều khiển các van bán dẫn công suất bằng các phần tử bán dẫn công suất nhỏ, vì vậy các tên gọi trên đây chỉ phản ánh một phần phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực này

- Ứng dụng:

Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông

đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và

sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

- Phân loại:

Ta có thể phân loại các hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín hiệu vào và

ra là xoay chiều hay một chiều:

 Bộ chỉnh lưu (AC -> DC)

 Bộ nghịch lưu (DC -> AC)

 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC -> AC)

 Bộ biến đổi điện áp 1 chiều (DC -> DC)

I Giới thiệu

1 Chức năng:

• Biến đổi điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng thay đổi được ( tần số không thay đổi )

2 Ứng dụng

-Cung cấp điện áp cho các thiết bị nhiệt điện: lò điện, điều khiển nhiệt độ lò, máy nước nóng…

- Điều khiển động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình : máy bơm…

- Điều khiển độ sáng của bóng đèn ( đèn quảng cáo ), đóng ngắt điện

-Bù nhuyễn công suất phản kháng ( động cơ KĐB )

3 Phân loại

1.Theo số pha:

- BBĐ điện áp xoay chiều 1 pha

- BBĐ điện áp xoay chiều 3 pha

2 Theo dạng mạch

-Đối xứng

-Không đối xứng

3 Nguyên tắc điều khiển

- Điều khiển toàn phần

- Điều khiển bán phần

4 Phương pháp điều khiển

a Điều khiển pha

- Trong phương pháp này tín hiệu điều khiển được đưa vào cực điều khiển của

linh kiện tại vị trí trễ so với vị trí bắt đầu xuất hiện điện áp phân cực thuận cho linh kiện 1 góc α theo từng cho kỳ của tín hiệu nguồn

- Điện áp xoay chiều đóng vai trò là điện áp chuyển mạch của linh kiện

-Tín hiệu xoay chiều ngõ ra có chứa các thành phần hài cơ bản với độ lớn phụ thuộc vào góc điều khiển α

b Điều khiển theo tỉ lệ thời gian:

- Trong phương pháp này tín hiệu điều khiển được đưa vào cực điều khiển của linh kiện liên tục trong 1 khoảng thời gian bằng 1 số nguyên lần chu kỳ của tín hiệu nguồn, sau đó ngắt tín hiệu điều khiển trong 1 khoảng thời gian cũng bằng 1

số nguyên lần chu kỳ của tín hiệu nguồn

-Phương pháp này không dùng cho tải có quán tính nhỏ như: bóng đèn sợi tóc, các động cơ có mômen quán tính nhỏ mà thường được dùng cho loại tải có quán tính lớn như: lò nhiệt, bếp điện, máy nước nóng, động cơ có mômen quán tính lớn… tín hiệu xoay chiều ngõ ra hầu như không chứa thành phần hài bậc cao

2.Bộ điểu khiển điện áp xoay chiều 1 pha(Điểu khiển pha)

Bộ điều khiển điện áp xoay chiều một pha gồm 2 SCR mắc song song ngược

nhau.Khi tải có công suất nhỏ có thể thay 2 SCR bằng một TRIAC

2.1 Tải R

Điều kiện dẫn của SCR : - VA>VK

- VG>0

a.Giải thích: + (0÷ α vàπ ÷ π+α): Chưa có xung kích SCR1,SCR2 chưa dẫn

nên Ur=0

+ (α ÷ π ): Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ α thì

Ur= Umsinωt=Umsinθ.

+ (π +α ÷ 2π ): Khi kích SCR2 trong bán kì âm với góc trễ α thì

Ur= Umsinωt=Umsinθ

-Tóm lại: Do 2SCR mắc ngược chiều nhau nên USCR1= - USCR2 khi có 1 trong 2 con dẫn

Khi đó: + Ur= Um sinωt khi SCR1 hoặc SCR2 dẫn

+ Ur= 0 khi SCR1 và SCR2 không dẫn

+ USCR1= - USCR2=0 khi SCR1 hoặc SCR2 dẫn (khi dẫn gần giống

như Diode có sụt áp trên nó Vγ (coi không đáng kể)

+ USCR1= - USCR2 = Umsinωt khi SCR1 và SCR2 không dẫn (Khi

chưa dẫn SCR pải chịu áp do nguồn xoay chiều đặt vào cho đến khi kích góc dẫn)

+ USCR1= - USCR2= Um khi SCR1 hoặc SCR2 không dẫn (điện áp

ngược đặt lên SCR)

c.Dạng sóng

c.Xác định công thức :

2.1.Tải R,L

*Trường hợp 1: Góc kích α >φ

a.Giải thích

-Giải thích công thức ixl,itd:

+ Khi kích SCR1 với góc kíchα >φ Ixl > 0 do đó i(td)<0,i=i(SCR1) tăng dần đến giá trị cực đại rồi giảm ở điểm θ0< θxl0 , θ0: điểm có i=0;θxl0:điểm có ixl=0.Do đó khi SCR1

ngưng dẫn,SCR2 mới được kích dẫn,vậy SCR2 có thể dẫn dòng i=iSCR 2 theo chiều ngược lại so với chiều dòng qua SCR1 .Dòng i qua phụ tải là dòng đổi chiều và không liên tục trong khoảng từ điểm θ0 đến điểm kích SCR2 với góc kích α

-Giải thích theo sự kích dẫn SCR,sự nạp xả của L và góc tắt dòng τ

+ ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0

+ (α ÷ π) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωt=Umsinθ

+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm:SCR2 chưa có xung kích nên chưa dẫn ,nhưng do L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương với góc trễ α nên Ur= Umsinωt=Umsinθ

+ (τ ÷ π +α) :SCR2 chưa có xung kích nên vẫn chưa dẫn đồng thời hết năng lượng

xả từ L nên Ur=0

+ (π +α ÷ 2π) : Lúc này SCR2 có xung kích nên dẫn khi đó Ur= Umsinωt=Umsinθ

,L tiếp tục nạp

b.Dạng sóng

Tóm lại khi góc kích SCR α >φ khi phụ tải có thành phần cảm kháng,bộ điều chỉnh làm việc bình thường dòng qua bộ điều chỉnh không liên tục 2 khoảng trong mỗi

chu kỳ Do đó không phù hợp với phụ tải yêu cầu dòng sine như biến áp,động cơ

không đồng bộ.Với phụ tải là điện trở phát nhiệt thì dòng không liên tục này

-Giá trị trung bình của điện áp:

-Giá trị trung bình của dòng điện:

Ta có: Ur=R.Ir nên :

*Trường hợp 2 : Góc kích α=φ

a.Giải thích : + ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0

+ (α ÷ π) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωt=Umsinθ

+ (π ÷ π +α) :Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương

với góc trễ α đồng thời khi đó năng lượng do L xả vừa tới góc kích α

,SCR2 được kích dẫn nên Ur= Umsinωt=Umsinθ (trong đó τ = π+α ,với

α=φ¿.Tương tự như vậy trong những thời gian tiếp theo

Giải thích theo công thức ixl,itd : Khi góc kích α giảm dần xuống còn bằng

φ=arctg Lω

R ,điểm θ0 tiến đến θxl 0 ,khoảng cách i gián đoạn giảm dần giá trị bằng 0, thành phần itd =0.Phụ tải coi như nối tiếp với điện áp Ur=Umsinθ

b.Dạng sóng

Như vậy khi góc kích cho SCR α=φ=arctg Lω R , L và R là thành phần cảm kháng và điện trở của phụ tải,dòng điện qua tải là dòng hình sin không trải qua giai đoạn quá độ mà đạ

cần dòng điện trải qua thời kỳ quá độ như trường hợp máy hàn điểm(hàn điện trở) công suất lớn để có điẹn năng xác định cho mỗi điểm hàn.

Trị hiệu dụng của dòng điện qua tải : I=U/Z

c.Xác định công thức

-Giá trị trung bình của điện áp Ur :

-Giá trị trung bình của dòng điện qua tải :

*Trường hợp 3: Góc kích α <φ=arctg Lω R

Trong trường hợp này dạng của dòng điện qua tải i phụ thuộc vào bản chất của

xung điều khiển SCR ngắn hay dài

1.Khi xung điều khiển là các xung ngắn

a.Giải thích: + ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0

+ (α ÷ π) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn

đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωt=Umsinθ

+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương

với góc trễ α và năng lượng L xả tới τ khi đó SCR1 ngưng dẫn (i=iSCR 1=0

Cho nên tại thời điểm θ=¿ π+α nếu cho xung điều khiển kích SCR2 thì lúc SCR1 vẫn đang dẫn (i¿iSCR 1≠ 0) nên SCR2 chịu một điện áp âm

USCR 2=- USCR 1<0.Kết quả là SCR2 không thể dẫn được mà vẫn bị khóa

+ (τ ÷ 2π+α) : Khi SCR1 đã ngưng dẫn thì USCR 2 > 0,nhưng xung điều khiển kích cho SCR2 không còn tồn tại nữa nên SCR2 vẫn không thể dẫn được + Đến thời điểm θ=¿ 2π+α lại có xung điểu khiển kích cho SCR1, SCR1 lại dẫn và dòng lại qua tải như nửa chu kỳ đầu tiên của điện áp nguồn Khoảng thời gian dẫn của SCR1 là từ α đến τ

b.Dạng sóng

Như vậy nếu góc kích cho SCR α <φ và các xung điều khiển là xung ngắn thì SCR nào được kích trước nó sẽ dẫn ,SCR tiếp theo không dẫn được.Bộ điều chỉnh chỉ

dẫn điện qua 1 chiều,đó là chiều qua SCR được kích trước kể từ lúc bộ điều chỉnh hoạt động.Sơ đồ hoạt động như bộ chỉnh lưu 1 pha nữa chu kỳ.Điều này rất nguy hiểm cho thiết bị điện xoay chiều.

c.Xác định công thức

-Giá trị trung bình của điện áp Ur :

-Giá trị trung bình của dòng điện qua tải :

Ta có: Ur=R.Ir nên :

2.Trường hợp các xung điều khiển cho SCR là xung có độ dài đủ lớn.

a.Giải thích: + ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0

+ (α ÷ π) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ α : SCR1 dẫn

đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωt=Umsinθ

+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương

với góc trễ α và năng lượng L xả tới τ khi đó SCR1 ngưng dẫn (i=iSCR 1=0

+ (τ ÷ 2π+α) : Điện áp trên SCR2 lớn hơn 0 (USCR 2 > 0) ,còn xung điều

khiển cho SCR2 đã được cung cấp từ thời điểm trước đó (θ=¿ π+α)

vẫn còn tồn tại vì là xung dài nên SCR2 dẫn cung cấp dòng cho tải (i=iSCR 2)

+ Tương tự tai thời điểm θ=2π+α, i=iSCR 2=0 nên SCR2 ngưng dẫn ,còn SCR1 có USCR 1 > 0 và đang có xung điều khiển nên sẽ cung cấp dòng

cho tải Cho nên dòng điện qua tải là dòng hình sin có trị số hiệu dụng I=U/Z

b.Dạng sóng

Điều đó có nghĩa là khi α <φ và đọ rộng xung đủ dài thì bộ biến điều chỉnh điện

áp xoay chiều được xem như một công tắc luôn đóng.Việc điều chỉnh góc kích α

để thay đổi điện áp trên tải không có tác dụng,mạch hở nên mất điều

khiển.Dòng điện qua tải không đổi là I=U/Z.Nhưng… băm xung…điều chế

xung,lồng xung

c.Xác định công thức

-Giá trị trung bình của điện áp Ur :

-Giá trị trung bình của dòng điện qua tải :

3.Để tóm lược trường hợp phụ tải có cảm kháng ta lưu ý các điểm sau đây:

-Khi kích SCR bằng xung điện áp thì góc kích α phải ở trong khoảng cách từ

arctg Lω R đến π để có điện áp thay đổi từ tri cực đại bằng Um/Z đến 0 khi α=π

- Để tránh trường hợp nguy hiểm α <φ ta kích SCR bằng xung rộng ứng với góc lớn hơn φ=arctg Lω R .

- Tránh dùng xung hẹp kích SCR trong bộ đóng ngắt bán dẫn,nên dùng loạt liên tục

xung ngắn (kích bằng xung chùm)

-Dòng qua phụ tải là dòng liên tục,không phù hợp với phụ tải cần dạng dòng sine như động cơ không đồng bộ công suất lớn,máybiến áp

Trường hợp công suất lớn bộ điều chỉnh chỉ sử dụng được tải thuần điện trở như bếp điện,lò nung dùng điện trở,v.v…