ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giới thiệu chung Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi đợc.. Khi bộ băm xung áp làm việc ở c

Chỉnh lu không đối xứng cầu một pha

T1

D2

D1

T2

1to2

Nguyên tắc hoạt động:

• θ = θ1 cho xung mở T1 trong khoảng θ1θ2 Tiristor T1 và D2 cho dòng chảy qua Khi

u2 bắt đầu đổi dấu D1 mở ngay do đó T1 tự nhiên đóng lại dòng id= I d chuyển từ

T1 sang D2 cùng cho dòng chảy qua lúc này ud = 0.

• Khiθ =θ3 =Π +α cho xung mở T2 dòng qua tải id = I d chảy qua T2 và D1 và điốt

D2 lúc này bị khoá lại

• Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của tiristor và của điôt không bằng nhau

• Góc dẫn dòng của điôt là λT =π +α, còn góc dẫn dòng của tiristor là

α π

λT = −

Giá trị trung bình của điện áp tải,

π θ θ π

π

α

+

=

của dòng tải,

R

U

của dòng qua tiristor

π α π θ

π

π

1 ) (

2

I

của dòng trong điôt

π α π θ

π

α π

1 )

(

2

I

Chỉnh lu điều khiển đối xứng một pha sơ đồ cầu

T4

T3 T1

1k 1uH T2

1to2

• Xét khi tải thuần trở

u2 = 2 U2sinωt

Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T1 và T3 lúc này ud = u2, Hai Tiristor này xẽ tự nhiên khóa lại khi u2 = 0

Khi θ = π+α cho xung điều khiển mở T4 và T 2 : u = u2 Dòng tải i là dòng gián đoạn Giá trị trung bình của điện áp của điện áp tải, dòng tải, dòng tiristor

∫

∫

=

=

=

=

=

+

=

=

π

α

π

α

θ θ θ

θ π

α π

ρ ϑ π

2 2

sin 2

2 2 1

) cos 1 (

2 sin

2 1

2

2 2

d d d

T

d d d

I R

U d R

U d si R

U I

R

U I

U d

U U

• Xét khi tải là điện trở và điện cảm

Dòng tải id sẽ là dòng liên tục, id = Id

2

U d =

Giá trị hiệu dụng dong thứ cấp máy biến áp:

d

I

I = π∫+α =

α

θ π

2

2

1

• Xét hiện tợng trùng dẫn

Giả thiết T1 và T3 đang mở cho dòng chảy qua, iT1,3 = Id

Khi θ = θ2 cho xung điều khiển mở T2 và T4 Vì sự có mặt của Lc nên dòng iT1,3 không thể

đột ngột từ Id xuống 0, mà dòng iT2,4 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id

Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, ud = 0, nguồn e2

cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch ic

Ta có phơng trình

chỉnh lu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha

Xét bài toán có Xc, L ≠∞, R ≠0 Do đó dòng id khá phức tạp và đợc xác định nh sau:

- Khi T1 và T2 mở cha kể đến trùng dẫn thì ta có phơng trình:

Ua - Uc = L

dt

di d + Ri d

Và khi có trùng dẫn thì xác định bởi phơng trình sau:

θ α

θ

d

di X

d

2 ) sin(

trong đó Uclà điện áp ngắn mạch của pha a và pha c Vì vậy ta chỉ xét trờng hợp pha L=∞

cho đơn giản Lúc này id = Id = const

Hoạt động của sơ đồ:

Giá trị trung bình của điện áp tải:

α

α

d e e e d

U

b

∏

−

∏

=

+ Π

+

6 5

6

2

( 2

6 sin

2 2

6

+

-10V 100mA

T2 T2

T4

T3 T1

1k 1uH

T2

chỉnh lu không điều khiển cầu ba pha, cộng

băm xung

I Chỉnh lu không điều khiển cầu ba pha

D4 1 D1

D6 2

D5 D2 3

D3

N R L M

Ua Ub Uc

Trong sơ đồ này nếu ta chọn điện áp thứ cấp u1 làm gốc pha, ta có:

U1 = Umsinωt

U2 = Umsin(ωt - 1200)

U3 = Umsin(ωt +1200)

Trong đó Um là biên độ của điện áp thứ cấp của một pha máy biến áp

Đồ thị biến thiên của điện áp nh hình sau:

Để chỉnh lu các điện áp ngời ta dùng 2 nhóm điốt: nhóm điốt atốt chung gồm 3 điốt D2,

D4, D6 và nhóm điốt có canốt chung D1, D2, D3

+ Trong khoảng 0 ≤ωt ≤θ1, u3 dơng nhất và u2 âm nhất, D5 và D6 mở, dòng điện đi từ

điểm 3 qua điốt D5 tới điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D6 về điểm 2 Điện áp đa ra tải

ud = u32 = u3 - u2, điện áp trên điốt D1 là uD1 = u1 - u3

+ Trong khoảng θ1 ≤ωt ≤θ2 u1 dơng nhất và u2 âm nhất, D1 và D6 mở, dòng điện đi từ

điểm 1 qua điốt D1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D6 về điểm 2 Điện áp đa ra tải

ud = u12 = u1 - u2, điện áp trên điốt D1 là uD1 = 0

+ Trong khoảng θ2 ≤ωt ≤ θ3, u1 dơng nhất u3 âm nhất, D1 và D2 mở, dòng điện đi từ

điểm 1 qua điốt D1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D2 về điểm 3 Điện áp đa ra tải

ud = u13 = u1 - u3, điện áp trên điốt D1 là uD1 = 0

+ Trong khoảng θ3≤ωt ≤θ4, u2 dơng nhất u3 âm nhất do đó D3 và D2 mở, dòng điện đi

từ 2 qua D3 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D2 về 3 Điện áp đa ra tải ud = u23 = u2

- u3, điện áp trên điốt D1 là uD1 = u1 - u2

+ Trong khoảng θ4≤ωt ≤θ5, u2 dơng nhất u1 âm nhất do đó D3 và D4 mở, dòng điện đi

từ 2 qua D3 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D4 về 1 Điện áp đa ra tải ud = u21 = u1

- u2, điện áp trên điốt D1 là uD1 = u1 - u2

+ Trong khoảng θ5≤ωt ≤θ6, u3 dơng nhất u1 âm nhất do đó D5 và D4 mở, dòng điện đi

từ 3 qua D5 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D4 về 1 Điện áp đa ra tải ud = u31 = u3

- u1, điện áp trên điốt D1 là uD1 = u1 - u3

+ Trong khoảng θ6≤ωt ≤θ7, u3 dơng nhất u2 âm nhất do đó D5 và D6 mở, dòng điện đi

từ 3 qua D5 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua D6 về 2 Điện áp đa ra tải ud = u32 = u3

- u2, điện áp trên điốt D1 là uD1 = u1 - u3

Nh vậy đồ thị của điện áp ud sẽ có dạng đờng cong đậm nét và đồ thị biến thiên của uD1

có dạng nh đờng nét đứt

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu:

t d u u t

d u

π

ω π

θ

θ

π

∫

1

) (

2

6 2

1

2 1 2

0 0

trong đó

θ1 =

6

π

, θ2 =

2

π

, u1 - u2 = Umsinωt - Umsin(ωt - 1200) = 3 Umsin(ωt - 600)

ta có

Ud0 = ∫2

6

3

3π

π

π Umsin(ωt - 600)dωt

=

π

3

m≅ 1,65Um

Điện áp ngợc cực đại trên mỗi điốt Ungmax

Từ đờng cong uD1 ta có

Ungmax = 3 Um = 3

3 3

π

Udo = 1,04Ud0

Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu

K0 =

0

min max

d d

U

u

Từ đờng cong điện áp ud ta có

udmax = 3 Um, udmin = 1,5Um nên

65 , 1

2

) 5 , 1 3 (

≈

ì

−

m

m

U U

Giá trị trung bình của dòng điện tải

R R

U 0 1,65

=

Giá trị trung bình i0, giá trị hiệu dụng I và giá trị cực đại imax của dòng điện qua mỗi điốt Trong sơ đồ này mỗi điốt chỉ dẫn điện trong 1/3 chu kì nên

I0 = I d I = I d ;imax =I d

3

;

3

Giá trị hiệu dụng của dòng điện thứ cấp IS

Từ đồ thị ta thấy trong mỗi chu kỳ trong khoảng θ1≤ωt ≤θ3 điốt D1 mở, dòng điện thứ cấp iS = ID còn trong khoảng θ4≤ωt ≤θ6 điốt D4 dẫn iS = - ID nh vậy:

2

1 ) ) ( (

2

1 2

1

4 6 1 3 2 2

2 2

0

1

6

4

θ θ θ θ π ω

ω π

ω π

θ

θ

θ

θ

π

− +

−

=

− +

Khi thay θ3 - θ1 = θ6 - θ4 =

3

2π

Ta có

3

2

d

I =

Công suất biểu kiến của máy biến áp

d d d

d d

m

UI

65 , 1

3 3

2 2 3

=

II Bộ băm xung áp một chiều

1 Giới thiệu chung

Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi đợc

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp trị số trung bình Utb của các xung điện

áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không đến trị số lớn nhất bằng điện áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 < Utb≤ E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện áp trung bình trên tải Utb đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của nguồn điện: E < Utb <∝

Bộ băm xung áp một chiều đợc coi nh là một công tắc tơ tĩnh đóng mở liên tục một cách chu kỳ Nó đợc sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trong truyền động máy cắt gọt, trong giao thông đờng sắt, ôtô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ nghệ điện hoá

Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lợng ít hơn so với phơng pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trờng vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng mở để đặt hoặc cắt nguồn trên tải, kích thớc nhỏ Tuy nhiên bộ băm xung áp có nhợc điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán tính của qúa trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín Nếu tần số đóng mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến

2 Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ giảm áp.

Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay bằng tiristo đợc

điều khiển đóng mở một cách chu kỳ Khi làm việc ở chế độ giảm áp bộ băm xung áp một chiều H đợc đặt nối tiếp giữa nguồn điện áp một chiều E và phụ tải nh trên hình vẽ

a) Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb

Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E Còn khi H ngắt điện thì u

= 0

Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:

E E T

T Edt T

udt

T

T T

tb

d

α

=

=

=

0 0

1 1

với Tđ là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung

T là chu kì băm, hay chu kì xung

α =

T

T d

là hệ số lấp đầy xung áp còn gọi là tỉ số chu kì: ta có α≤ 1

Bằng cách biến đổi trị số của hệ số α ta nhận đợc các trị số khác nhau của điện áp trung bình của điện áp trung bình Utb trên phụ tải

Có thể cho α biến đổi bằng hai cách:

1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện Tđ của bộ băm, ta có bộ băm tần

số cố định

2 - Cố định thời gian đóng điện Tđ, biến đổi chu kì băm T, ta có bộ băm tần số biến thiên

Nếu Tđ = 0 thì α = 0 ta có Utb = 0 lúc này bộ băm thờng xuyên ngắt mạch Khi Tđ = T, ta

có α =1 và Utb = E, bộ băm thờng xuyên đóng mạch điện Bộ băm xung áp một chiều thờng

đóng điện và ngắt điện liên tục với tần số cao (200 ữ 500Hz) nên thờng là một khoá bán dẫn

b) Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng tranzito

Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài kilohert Các tranzito không cần mạch để khoá lại nh tiristo nên rất đơn giản và có thể làm việc với tần số tơng

đối lớn Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt tới tần số băm từ 1000 đến 2000 Hz một cách dễ dàng Khi dùng bộ băm xung áp có thể không cần dùng cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi

Nhợc điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt cỡ vài kilôoát

đến vài chụ kilôoát là cùng

Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito

Hoạt động của sơ đồ khi không có trùng dẫn:

Ta có điện áp pha thứ cấp của máy biến áp :

θ

sin

2U2

) 3

2 sin(

3

2 sin(

v c

Trong đó Um - biên độ của điện áp thứ cấp của một pha máy biến áp

để chỉnh lu các điện áp này ngời ta dùng hai nhóm điôt

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

xét tại thời điểm ứng với θ1, thấy điện thế tại các điểm A,B,C nh sau: vA>vB>vC Dòng

điện tải đi từ điểm A đến điểm C Điôt D1 mở cho dòng chảy qua, và do đó vF = vA>vB>vC Các điôt D3 và D5 bị khoá vì điện thế catốt của chúng lớn hơn điện thế anôt của chúng Điốt

D2 mở cho dòng chảy qua và do đó vG=vC<vB<vA; Các điôt D4 và D6 bị khoá lại vì điện thế catôt của chúng ( là vA hoặc vB) lớn hơn điện thế của catôt của chúng (là vC) Ta có bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ

Từ π/6 đến 3π/6

3π/6−5π/6

5π/6−7π/6

7π/6−9π/6

9π/6−11π/6

11π/6−13π/6

Từ A đến B

A - C

B -C

B - A

C - A

C -B

1 và 6

1 -2 3 - 2

3 4 5 4 5 -6

va− vb

va -vc

vb -vc

vb va

vc - va

vc - vb

Nhận xét:

- Dòng tải bao giời cũng xuất phát từ điểm có điện thế cao nhất đến điện thế thấp nhất Mỗi điôt cho dòng chảy qua trong một phần ba chu kỳ

- Mỗi cuộn dây biến áp cho dòng chảy qua trong hai lần một phần ba chu kỳ : 1/3 chu kỳ với điôt trên và một phần ba chu kỳ với điôt dới

- Giá trị tức thời của điện áp tải ud bằng hiệu của giá trị tức thời điện áp của hai pha

đang cấp dòng cho tải

- Ud gồm 6 chỏm dòng sinus tạo nên

- Điện áp ngợc lớn nhất các điôt phải chịu là:

U im = 6U2 =2.45U2

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu:

Hoạt động của bộ chỉnh lu không điều khiển cầu ba pha khi có hiện tợng trùng dẫn: Khi D1 và D3 trùng dẫn D3 đặt điện thế B ( lúc này Ub>0) vào Catốt của D4 khiến D4 bị phân cực ngợc do đó D2 không thể chuyển dòng điện tải sang D4 nh bình thờng D2 tiếp tục

đơn dẫn thêm một khoảng nữa, cho đến khi sự chuyển mạch từ D1 sang D3 kết thúc Tình

hình diễn ra nh các Tiristor có góc mở α nào đó Để xác định góc mở α, có thể xem sơ đồ

đang xét là sơ đồ chỉnh lu Tiristor cầu ba pha có góc mở α và góc trùng dẫn là à Ta có công thức tính là:

cos cos( )

6

2

α à

=

U

I

X c d

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@