chuong 3.Bo Bien Doi ppsx

Áp dụng các phương pháp tạo xung điều khiển của bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành 1 chiều để tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi điện áp xoay chiều.. Trong kỹ thuật điện có nhiều trườ

Chương III

BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

3.1 Khái niệm chung

3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha

3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha

3.4 Mạch tạo xung điều khiển

3.4.1 Các mạch điều khiển đơn giản

3.4.2 Áp dụng các phương pháp tạo xung điều khiển của bộ biến đổi điện

áp xoay chiều thành 1 chiều để tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi điện áp xoay chiều

3.5 Bảo vệ bộ biến đổi điện áp xoay chiều

CHƯƠNG III BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

3.1 Khái niệm chung.

Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp xoay chiều giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh được Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần số nhưng có giá trị khác thì phổ biến nhất là dùng máy biến áp Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu ngắn gọn , làm việc tin cậy ,độ bền cao và nếu điện nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin Tuy vậy máy biến áp cũng có nhược điểm là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra , nhất là trong trường hợp công suất trung bình và lớn , điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng máy biến áp trong một số trường hợp Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng , đặc biệt là khi công suất trung bình và lớn thì người ta sử dụng một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều – xoay chiều hay BBĐ điện áp pha BBĐ xoay chiều – xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi là sử dụng tính chất có điều khiển của các dụng cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều hìng sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp công suất Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằng máy biến áp, thiết bị diều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế

về cơng suất do chịu dịng và áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện áp ra khơng cịn khơng cịn dạng hình sin nữa

Các BBĐ xoay chiều – xoay chiều được ứng dụng trong một số trưừng hợp như sau:

- Để điều khiển tốc độ của các động xoay chiều khơng đồng bộ cơng suất nhỏ bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stato của động cơ

- Khởi động các động cơ xoay chiều khơng đồng bộ roto lồng xĩc cơng suất trung bình và lớn

- Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi cĩ yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra, vì dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn điện cao áp cấp cho lị tần số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực

3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha.

Trường hợp tải thuần trở: Hình 3.1

Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin U=Um.sinωt

mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn Công tắc

xoay chiều gồm hai thyristor mắc đối song V1 và V2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay thế chúng bằng một triac

Phân tích mạch (xem hình H3.2)

Trong khoảng góc (0,α), dòng qua tải bị ngắt, ta có:

t

I = 0 , U t= 0

Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì

1

U = U – U t= U> 0

Tại thời điểm ứng với góc X = α, xung kích IG1 đưa vào cổng điều khiển của V1 trong điều kiện có áp khóa làm V1 đóng Dòng điện khép kín qua mạch (u,V1 , R)- trạng thái V1 Các phương trình mô tả trạng thái V1 trong thời gian V1 dẫn ( α ≤ X < π )

1

U = 0 = -U 2

Iv1 = it; iv2= 0

U t= - U 1 + U = U = UmsinX

ut= R.it

Tại X = π, dòng qua V1 triệt tiêu Lúc đo,ù dòng điện tải bằng không và

ta có trạng thái 0 : Các phương trình mô tả trạng thái 0:

I t= U 1 =U 2= 0

U 1= u - R.it= u

U 2= -U

Điện áp đặt lên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương - điện áp khóa, nên việc kích vào cổng điều khiển của V2 trong khoảng (π + α < X < 2π ) sẽ làm V2 đóng Các phương trình mô tả trạng thái V2 :

Tại vị trí X = 2π, dòng qua V2 triệt tiêu nên V2 bị ngắt Mạch trở về trạng

thái 0

Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi ( 0, π), điện áp

tải có trị hiệu dụng biến thiên trong khoảng ( 0, U) Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng U theo góc điều khiển α được vẽ trên hình H3.3

Trị hiệu dụng dòng điện qua tải:

* Trường hợp tải L:

Ta phân biệt hai trường hợp góc điều khiển α:

Trạng thái 0 : Trong khoảng trước vị trí góc kích α dòng tải bị gián

đoạn Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái không có dòng điện:

Trạng thái V1 (α < X < 2π - α): Tại vị trí X = α, V1 được kích trong lúc có tác dụng của điện áp khóa nên đóng Dòng điện dẫn khép kín qua mạch (u, V1, L) Trạng thái mạch điện được biểu diễn bởi hệ thức và phương trình sau:

Từ điều kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình dòng điện ta thu được nghiệm

Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí

X = 2π- α Do iv1 = it nên tại vị trí vừa nêu trên, dòng qua V1 cũng bị ngắt.Trạng thái 0- khoảng (2π - α < X < π + α): Sau khi dòng qua V1 bị ngắt, mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình mô tả mạch điện:

Trạng thái V2 - khoảng (π + α < X < 3π - α): Tại vị trí X= α + π, xung kích đưa vào V2 trong lúc V2 chịu tác dụng điện áp khóa nên V2 đóng Dòng điện khép kín qua mạch (u, V2, L) Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V2:

Giải phương trình dòng điện và để ý rằng it ( π+α) = 0, ta được nghiệm dòng điện tải:

Dòng qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 Tại đây, V2 bị ngắt Mạch trở về trạng thái 0:

Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển π < α < π

2 ta có:

1/- Dòng qua tải bị gián đoạn

2/- Trị hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải từ hình H3.4

3/- Trị hiệu dụng dòng điện qua tải:

Trong ứng dụng với tải L, thành phần hài cơ bản dòng điện có ý nghĩa quan trọng:

Mạch họat động như một tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích:

b/- Góc điều khiển α <π2

Điện áp tải không thể điều khiển được nữa Mạch bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng Các linh kiện V1 và V2 lần lượt dẫn điện với khỏang dẫn của mỗi linh kiện bằng dòng điện qua tải liên tục Nếu bắt đầu đưa xung kích π vào linh kiện từ

vị trí α <π2 dòng điện lệch pha so với điện áp một góc ϕ < π2 Xung kích cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí góc α và kết thúc tại cuối nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều

Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0 V1 bị ngắt Tại vị trí này trên V2 xuất hiện điện áp khóa Do có xung kích tác dụng nên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lại Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điểm 0 một cách liên tục

Hệ quả: Với tải L, khi α <π2 , bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều

Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L được vẽ trên hình H3.3

Trường hợp tải RL (hình H3.5): Tương tự như trường hơp tải L, việc phân tích hoạt động mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển α Giá trị phân biệt π2 ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn gócϕ trong trường hợp tải RL, ϕ = arctg(ωL/R)

Trường hợp α > ϕ - dòng điện tải bị gián đoạn chu kỳ hoạt động được chia làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau:

Trạng thái 0: mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1

It = 0 ;Uv2 = 0

Iv1 = 0 ; Iv2 = 0

Uv1 = - Uv2 =U > 0

Trạng thái V1 : V1 được kích dẫn

Trạng thái 0 : mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2 :

It = 0 ; Ut = 0

Iv1 = 0 ; Iv2 = 0

Uv1 = - Uv2 = Uv2< 0

Trạng thái V2 : V2 được kích dẫn

Iv2 = - I ; Ut =U

Ut = R.It + L dt di Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng

Dòng điện qua tải bị gián đoạn

Trường hợp α< ϕ - dòng tải liên tục Điện áp tải không điều khiển được Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái luôn đóng Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trịï hiệu dụng bằng U Xung kích cho linh kiện được cho dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều

Đặc tính Ut(α) –xem hình H3.5: phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữađặc tính tải thuần điện trở và tải thuần cảm L

Tính chất tương tự khi họat động với các tải R,L,RL được trình bày ngắn gọn trong bảngs o sánh B3.1

Bảng B3.1

3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ (xem hình H3.6)

cĩ cấu tạo gồm ba cơng tắc bán dẫn đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha Khi cơng suất tải nhỏ, các cặp cơng tắc dùng thyristor cĩ thể được thay thế bằng triac Phân tích hoạt động của

bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, ngay cả cho trường hợp tải thuần trở, rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dịng điện trong mạch rất khĩ khăn Dạng sĩng điện áp và dịng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc

vào độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải (đối với tải không thuần trở) Ngày nay, việc phân tích được thực hiện nhờ lập trình mô phỏng trên máy tính

Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình bộ biến đổi xoay chiều phụ thuộc vào góc điều khiển và ứng với các tải R, RL được vẽ minh họa trên các hình H3.7 cho tải R và H3.8 cho tải RL nối tiếp

Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ được

vẽ trên hình H3.10 Với tải R, phạm vi điều khiển góc kích nằm trong khoảng 0 , 5ð/6 ); đối với tải L, phạm vi điều khiển của góc kích nằm trong giới hạn (ð /2, 5ð/6 ) Đối với tải RL, phạm vi điều khiển góc kích là (arctan L/R , 5 ð/6 ) Xung kích: để đảm bảo quá trình kích dẫn thyristor, xung kích được thực hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đền khi vượt khỏi nửa chu kỳ tương ứng một góc ð/6

3.4 Mạch tạo xung điều khiển.

3.4.1 Các mạch điều khiển đơn giản.

a) Mạch Điều Khiển BBĐ Xoay Chiều – Xoay Chiều

*) khái niệm chung

Cũng như BBĐ xoay chiều – một chiều ,trong BBĐ xoay chiều –xoay chiều

Ta cũng sử dụng các van bán dẫn có điều khiển Vì vậy để cho BBĐ có thể làm việc theo yêu cầu thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho các van Dù là sơ đồ dùng 2 tiristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac thì trong 1 chu kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra 2 tín hiệu điều khiển lệch nhau 1 góc độ điện là 1800 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ hình tia 2 pha Do vậy về lý thuyết thì có thể sử dụng tất cả các mạch phát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều một pha và mạch điều khiển cho sơ

đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều 3 pha Tuy nhiên cũng cần lưu ý một đặc tính quan trọng

là :

Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũng quan trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm Nhưng đối với các BBĐ xoay chiều –xoay chiều thì xung điều khiển các van , đặc biệt là cả 2 van song song ngược trong cùng một pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị chỉ làm việc được với nguồn cung cấp xoay chiều ,ví dụ như các động cơ điện xoay chiều hoặc máy biến áp…,đòi hỏi có độ đối xứng rất cao Đó là vì khi góc điều khiển của 2 van trong cùng 1 pha không hoàn toàn giống nhau thì trong đường cong điện áp trên tải sẽ xuất hiện thành phần một chiều Mặt khác tổng trở phụ tải đối với thành phần điện áp một chiều là rất nhỏ do vậy thành phần dòng một chiều qua tải là rất lớn Điều đó ảnh hưởng đến sự làm việc của phụ tải và BBĐ, tăng tổn thất phụ và khi không đối xứng của tín hiệu điều khiển vượt quá một giá trị nhất định nào đó (phụ thuộc trường hợp cụ thể )thì BBĐ sẽ không làm việc được nữa

Như vậy ta có thể ứng dụng các sơ đồ hệ thống điều khiển cho BBĐ xoay chiều –một chiều để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều , chỉ cần lưu ý đến vấn đề đối xứng của xung điều khiển các van , do vậy ở đây ta sẽ không xét các mạch loại đó nữa Trong một số trường hợp khi đòi hỏi chất lượng cao của tín hiệu điều khiển và phạm vi điều khiển không yêu cầu rộng thì ta có thể sử dụng các mạh điều khiển đơn giản để giảm giá thành và kích thước BBĐ

b)Mạch Điều khiển dùng DIODE – biến trở (D-R)

ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùng diode – biến trở như hình dưới Trong sơ đồ này thi T1 , T2 là 2 tiristor động lực ,mạch điều khiển các van BBĐ gồm các diode D1,D2,D3,D4, các điện trở

R1,R2 và biến trở WR

U dkT1

U dkT1

T2

UR2

D2

D1

Ung

R2

D2

D3

It

Ut