CHƯƠNG 2 BỘ CHỈNH LƯU

Tính năng điều khiển - Bộ chỉnh lưu không điều khiển dùng toàn diode trong cấu hình mạch động lực - Bộ chỉnh lưu điều khiểu hoàn toàn dùng toàn Thyristor - Bộ chỉnh lưu điều khiển bán

CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU

I TỔNG QUÁT :

1.Chức năng của bộ chỉnh lưu và ứng dụng:

a Chức năng: Biến đổi dòng điện xoay chiều một pha, ba pha thành dòng một chiều

b Ứng dụng:

- Truyền động động cơ điện một chiều có điều khiển (công suất đến hàng MW)

- Nguồn cho mạch kích từ máy phát điện

- Các hệ thống giao thông dùng điện một chiều

- Công nghệ luyện kim màu, công nghệ hóa học

- Thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy

- Là bộ phận của thiết bị biến tần

2 Phân loại: Các dạng bộ chỉnh lưu cơ bản được phân loại theo :

a Tính năng điều khiển

- Bộ chỉnh lưu không điều khiển ( dùng toàn diode trong cấu hình mạch động lực)

- Bộ chỉnh lưu điều khiểu hoàn toàn ( dùng toàn Thyristor )

- Bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần ( dùng Diode + Thyristor )

b Dạng mạch:

- Bộ chỉnh lưu mạch tia ( có điểm giữa )

- Bộ chỉnh lưu mạch cầu ( gồm khóa công suất nhóm Cathode + nhóm Anode )

- Bộ chỉnh lưu ghép nối tiếp, song song

- Bộ chỉnh lưu kép

H2.1 Bộ chỉnh lưu mạch tia

H2.2 Bộ chỉnh lưu dạng cầu

c Theo số pha:

- Bộ chỉnh lưu một pha

- Bộ chỉnh lưu ba pha

- Bộ chỉnh lưu nhiều pha

II BỘ CHỈNH LƯU (BCL) MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

1 Sơ đồ mạch: Gồm nguồn xoay chiều ba pha, ba diode công suất, tải một chiều tổng quát R,L,E

H2.3 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển

2 Các giả thiết khi khảo sát BCL:

- Nguồn áp lý tưởng ( áp hài cơ bản, hệ thống nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng, điện trở trong của nguồn bằng 0 )

- Các linh kiện bán dẫn lý tưởng

- Các dây nối và các bộ phận khác của mạch cũng lý tưởng

3 Nguồn: Điện áp pha có phương trình :

; sin

3 2 1

π ω

π ω ω

u

t U

u

t U

u

m m

- Xác định trình tự đóng ngắt của các khóa diode trong một chu kỳ áp nguồn

- Thiết lập các phương trình trạng thái áp, dòng cho tải, linh kiện, nguồn

- Dựng các giản đồ áp và dòng ở xác lập cho tải, linh kiện, nguồn

- Các hệ thức, hệ quả ở xác lập đối với tải, linh kiện, nguồn

4.1.Trình tự đóng ngắt của các khoá Diode:

Xét xem diode nào dẫn trong khoảng XY = [ π/6, 5π/6 ] Điều kiện : chỉ 1 diode dẫn,

2 diode còn lại ngắt

- Giả sử V 2 đóng, V 1 , V 3 ngắt ⇒ uV2 = 0

Aùp rơi trên V1: uV1 = u1 – u2 > 0 ⇒ V1 dẫn⇒ mâu thuẫn với giả thiết ⇒ V2 không thể đóng trong khoảng này

- Giả sử V 3 đóng, V 1 , V 2 ngắt : ⇒ uV3 = 0 , uV1 = u1 – u3 >= 0 ⇒ V1 dẫn⇒ mâu

thuẩn với giả thiết ⇒ V 3 không thể đóng trong khoảng này

⇒ V1 đóng Ta có : uV1 = 0 , uV2 = u2 – u1 < 0 ⇒ V2 ngắt

uV3 = u3 – u1 < 0 ⇒ V3 ngắt Kết luận : Vậy trong khoảng [ π/6, 5π/6 ] chỉ có thể V1 dẫn , V2, V3 ngắt

Chứng minh tương tự ⇒ trong khoảng ⎢⎣ ⎡ + ÷ + 3 ⎥⎦ ⎤

2 6

5 3

2 6

π π π

π , V2 dẫn, V1, V3 ngắt ⇒ trong khoảng ⎢⎣ ⎡ + ÷ + 3 ⎥⎦ ⎤

4 6

5 3

4 6

π π π

3 dẫn, V1, V2 ngắt

Như vậy trình tự đóng ngắt các khóa là V1, V2, V3, …

Kết luận : Pha có giá trị áp tức thời lớn nhất thì diode pha đó dẫn , các diode còn lại ngắt

4.2.Phương trình trạng thái áp và dòng:

V

i i

u

1

1 2 2

V

V

i

u u u

3

1 3 3

V

V

i

u u u

V

i i

1

2 1 1

V

V

i

u u u

3

2 3 3

V

V

i

u u u

V

i i

1

3 1 1

V

V

i

u u u

2

3 2 2

V

V

i

u u u

⇒ Aùp ngược lớn nhất mà diode phải chịu

U U

U RWM = 3 m = 6 (2.5) 4.3.Đồ thị phân tích ở xác lập: Giả thiết cảm kháng tải L vô cùng lớn nên có thể xem id được nắn phẳng Id = const Giản đồ áp và dòng chỉnh lưu (trên tải), áp và dòng qua linh kiện được trình bày trên H2.3b

H2.3b Giản đồ áp ud và dòng chỉnh lưu id, áp trên linh kiện uV1 và dòng qua các linh

kiện iV1, iV2, iV3

fσ(1) = = 3 , với p là số xung chỉnh lưu (2.6)

Trị trung bình áp chỉnh lưu (áp tải)

td U

π π

ω ω π

π

632

33sin

2

3 5 /6

6 /

=

=

Với U : Trị hiệu dụng áp pha nguồn

Trị trung bình dòng chỉnh lưu

R

E U

d

−

¾ Linh kiện : Để tính toán chọn linh kiện, cần phải xác định các thông số sau:

Áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: xem (H2.3) , công thức (2.5)

U

U RWM = 6 Dòng trung bình qua linh kiện : mỗi diode dẫn 1/3 chu kỳ áp nguồn (1200) (H2.3)

3

1

d dV

I

Để định mức linh kiện :

• Aùp URRM ≥ Ku URWM (2.10) với Ku = 2.5 ÷ 3.5 : hệ số an toàn về áp

• Dòng Id(AV) ≥ Ki IdV1 (2.11)

với Ki > 1 : hệ số an toàn về dòng

¾ Nguồn: Trong trường hợp này dòng qua pha nguồn bằng dòng qua linh kiện Trị hiệu dụng dòng nguồn

3

.2

1 5 /6

6 /

2

I t d I

π

ω

III BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN

1 Sơ đồ mạch:

Cấu hình mạch động lực của bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển gồm nguồn xoay chiều ba pha dạng sao, 3 thyristor và tải một chiều Các khối điều khiển đưa xung điều khiển kích đóng các thyristor Các thyristor điều khiển giá trị điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu

H2.4 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha điều khiển

2 Các giả thiết: ( tương tự phần II.2)

3 Phân tích:

a Góc điều khiển α :

Nếu như các xung điều khiển thyristor được đưa vào trễ so với góc mà nếu ở vị trí đó các diode sẽ đóng, góc trễ đó gọi là góc điều khiển α hay góc trễ của quá trình chuyển mạch Giá trị α phụ thuộc vào thời điểm gởi tín hiệu điều khiển

Trạng thái áp và dòng được dời đi 1 góc α so với chỉnh lưu tia dùng diode

Phạm vi điều khiển góc α :

Để đóng SCR cần thoả 2 điều kiện:

- Điện áp khóa thuận VAK> 0

- Xung điều khiển IG > 0

Giả sử ở thời điểm V3 đang đóng ta có áp khóa thuận trên V1 :

uv1 = u1 – u3

u ≥ 0 khi u ≥ u ⇒ phạm vi thay đổi góc điều khiển α là 0 ≤ α ≤ π

b Trình tự đóng ngắt: V1 , V2 , V3 …

c Đồ thị phân tích:

H2.5a Giản đồ áp nguồn, vị trí xung kích các thyristor và áp, dòng chỉnh lưu ứng với

góc điều khiển 600

H2.5b Giản đồ áp linh kiện uV1và dòng linh kiện iV1 ứng với góc điều khiển 600

d Các hệ thức :

Hz f

p f

fσ(1) = s⋅ = 3 ⋅ s = 150

- Trị trung bình áp tải:

( ) ( )t d t U U

+

α π

ω ω π

π α π α

2

63sin

2

3 5 /6

6 /

(2.13)

Nhận xét : Khi thay đổi góc điều khiển trong khoảng [ 0…π] thì trị trung bình áp chỉnh lưu thay đổi trong phạm vi :

U U

π α

2

6 3 2

6 3

- Trị trung bình dòng tải :

R

E U

d AV T

- Đặc tuyến tải được định nghĩa là Ud( ) α = f ( Id( ) α ), thông số là α

4 Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu:

Theo hệ thức (2.13) trị trung bình áp chỉnh lưu có thể có giá trị từ dương đến âm khi α thay đổi Trị trung bình của dòng chỉnh lưu dương vì Thyristor chỉ cho dòng đi qua theo một chiều Xét công suất trung bình nguồn cung cấp cho tải

0

5 Góc an toàn : Khi góc điều khiển tăng, thời gian SCR dùng để khôi phục khả năng khóa sẽ giảm Nếu ta tăng góc α đến giá trị đủ lớn để SCR không còn đủ thời gian để khôi phục khả năng khóa của mình , sự cố nguy hiểm sẽ xảy ra ( SCR đóng không theo ý muốn ) ⇒ trạng thái điện áp BCL xấu đi ⇒ dòng điện tăng lớn và có thể làm cháy hỏng thiết bị và cần phải được ngắt bởi thiết bị bảo vệ

Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chịu tác dụng của áp nghịch để khôi phục khả năng khóa của nó một cách an toàn ( γ ) Giá trị tới hạn γcrit = ω.tq với tq – thời gian ngắt

an toàn của SCR

1 Sơ đồ mạch:

H2.6 Bộ chỉnh lưu tia với diode V0

2 Phân tích:

* Khi α ≤ π /6 : V0 không có tác dụng điện áp ud luôn dương

* Khi α > π /6 : Dòng tải qua V0 trong các khoảng mà áp trên tải sẽ âm nếu trong mạch không có V0

¾Trạng thái V1: V1 đóng V2, V3, V0 ngắt ,

uv1 = 0 ; iv1 = id

uv2 = u2 – u1; iv2 = 0

uv3 = u3 – u1; iv3 = 0

ud = u1 = -uv0

Tương tự cho trạng thái V2, V3

¾ Trạng thái V0: V0 đóng, V1,V2, V3 ngắt

uv0 = ud = 0; iv0 = id

uv1 = u1 ; iv1 = 0

uv2 = u2 ; iv2 = 0

uv3 = u3 ; iv3 = 0

H2.7 Đặc tính áp và dòng

2

3

6 /

π α π

ω ω π

π π α

Phạm vi điều khiển góc α : π/6 ≤ α ≤ 5π/6

4 Đặc điểm của V0

- Làm giảm giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu qua việc ngắt bỏ phần áp âm

- Làm tăng hệ số công suất nguồn λ

- Không cho phép chế độ nghịch lưu

V BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

1 Sơ đồ mạch:

H2.8 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

- Nguồn 3 pha lý tưởng

- 6 SCR chia làm 2 nhóm ( Anode : V1, V3,V5 , Cathode: V2, V4, V6 )

Trước tiên ta chứng minh rằng 2 nhóm linh kiện làm việc độc lập với nhau và mỗi nhóm làm việc như một mạch tia 3 pha Giả thiết dòng Id đi qua tải và ta theo dõi nhóm anode Giả thiết trong nhóm V1 đóng, V3,V5 ngắt

Chứng minh tương tự cho V3, V5

Chứng minh tương tự cho nhóm Cathode

Như vậy ta có thể tách mạch cầu ba pha thành 2 mạch tia ba pha nhóm anode và cathode (H2.9)

u2 u3

u1

udA id

a) Chỉnh lưu tia nhóm Anode

b) Chỉnh lưu tia nhóm Cathode H2.9

Do áp tải ud = udA – udk ta có thể xem BCL mạch cầu 3 pha như dạng mắc nối tiếp BCL mạch tia nhóm Anode và BCL mạch tia nhóm Cathode

Giản đồ phân tích : Khảo sát tương tự mạch tia (H2.10)

p f

fσ(1) = s⋅ = 6 ⋅ s = 300

Trị trung bình áp chỉnh lưu:

u u

α π

2

6 3 cos

2

6 3

(2.17) Khi thay đổi α, ta điều khiển trị trung bình áp chỉnh lưu:

U U

π π

Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện : U RWM = 6⋅U

Dòng trung bình qua linh kiện :

3

) (

d T AV

I

¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn

d V

H2.10 Giản đồ áp và dòng bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

VI BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN

Khi thay nhóm linh kiện Anode ( hoặc Cathode ) trong BCL mạch cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất ta được BCL mạch cầu 3 pha điều khiển bán phần

Ưu điểm : Kinh tế hơn vì giá thành diode thấp hơn SCR

Khuyết điểm: Vùng điều khiển hẹp hơn

1 Sơ Đồ:

H2.11 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần

2 Phân tích:

Trong trường hợp trên ta xem diode như 1 thyristor bình thường với góc điều khiển

α = 0 Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn Mạch có cấu trúc gồm hai bộ chỉnh lưu tia ba pha: điều khiển và không điều khiển

3 Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình

α π

2

6 3 cos

2

6 3 cos

2

6 3

(2.18) Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình :

0

VII MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

1 Sơ đồ mạch:

H2.12 Giản đồ áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn

2 Phân tích :

Mạch cầu có cấu trúc tương đương 2 mạch tia 2 pha mắc nối tiếp (H2.13) Nguồn áp một pha

u được phân tích thành hai nguồn xoay chiều tương đương u 1 và u 2 có phương trình như sau:

( ) ( ω π )

t

U u

m m

sin 2

; sin 2

H 2.13b Giản đồ phân tích áp và dòng được trình bày trên H2.12 phụ thuộc góc điều khiển α

ω π

π α α

α = 1 ∫+U sin t d t = 2⋅ 2⋅U⋅cos

Phạm vi điều khiển áp tải :

U U

( ) 2

d AV T

S I I d t I

π

π α α

1

1

VIII BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN

1 Phân loại: Ta có hai loại mạch như sau:

- Mạch đối xứng ( H2.14a ) ⇔ Thay các SCR trong một nhóm bằng các diode

- Mạch không đối xứng ( H2.14b ) ⇔ Thay các SCR trong 1 nhánh bằng các diode

a) Cấu trúc đối xứng b) Cấu trúc không đối xứng

H2.14 Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần

2 Hệ quả: Nhóm linh kiện diode được xem như SCR với góc điều khiển bằng 0

Xét mạch đối xứng (H2.14a), tách mạch cầu thành hai mạch tia tương đương (H2.15)

H2.15

H2.16 Trạng thái áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần với cấu trúc đối xứng

¾ Tải:

- Aùp chỉnh lưu trung bình :

π ω ω π

π α

- Thời gian ngắt an toàn tq : Mạch không đối xứng an toàn hơn mạch có cấu trúc đối xứng và chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn nên góc αđk có phạm vi điều khiển lớn hơn;

- Mạch cầu 1 pha với diode chuyển mạch (diode V0) : Diode V0 trong mạch cầu 3 pha hoặc

1 pha điều khiển bán phần có tác dụng mở rộng trong phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu đến giá trị 0 Diode V0 cho dòng tải id đi qua trong các khoảng thời gian mà trong trường hợp mạch không chứa V0 thì dòng tải sẽ không đi qua áp nguồn mà đi qua cặp diode – thyristor ( thí dụ V1 V4 ) Do đó làm tăng khoảng thời gian ngắt an toàn cho các SCR

IX TÍNH CHẤT LIÊN TỤC CỦA DÒNG ĐIỆN TẢI VÀ HỆ QUẢ

- Do áp chỉnh lưu có dạng xung nên có thể được phân tích thành 2 thành phần :

ud = Udc + uac

với Udc = Ud : trị trung bình áp chỉnh lưu;

uac : thành phần xoay chiều

Thành phần xoay chiều áp chỉnh lưu làm dòng tải id bị nhấp nhô

- Tương tự, dòng chỉnh lưu cũng có thể phân tích thành :

id = Idc + iac

Do thành phần xoay chiều iac , dòng tải có thể bị gián đoạn Khi dòng gián đoạn, dạng điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào trạng thái mạch tải (ud = 0 nếu tải không chứa nguồn một chiều E hoặc ud = E nếu tải có chứa nguồn một chiều E) Các hệ thức Ud cho dòng liên tục không thể áp dụng được trong trường hợp này và đặc tuyến điều khiển phức tạp và không duy nhất (Ud (α) = f (α))

- Hệ quả:

ƒ Khi tải bộ chỉnh lưu là động cơ điện một chiều, đối với vấn đề điều khiển dòng tải bằng 0 dẫn đến mômen tác động triệt tiêu và không thể điều khiển tải

ƒ Đặc tuyến điều khiển bị thay đổi dạng ( phi tuyến )

ƒ Hệ điều khiển khó hiệu chỉnh

Vì thế, người ta cố gắng hạn chế vùng làm việc của bộ chỉnh lưu ở chế độ gián đoạn, đối với bộ chỉnh lưu có thể định mức theo chế độ dòng tải liên tục nếu không yêu cầu độ chính xác cao

X HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH VÀ HỆ QUẢ:

Trong các phần trước bộ chỉnh lưu được phân tích với giả thiết bỏ qua cảm kháng trong của nguồn áp Vì vậy quá trình chuyển mạch (QTCM) giữa các nhánh của SCR diễn ra tức thời Trong thực tế , nguồn có cảm kháng trong làm dòng qua nó không thể thay đổi đột ngột Hiện tượng chuyển mạch diễn ra với một khoảng thời gian nào đó và hình thành trạng thái các nhánh cùng dẫn điện Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng trùng dẫn

ƒ Xét quá trình chuyển mạch xảy ra đối với chỉnh lưu tia ba pha diode Đó là trạng thái dòng qua một diode nào đó tăng dần và dòng qua một diode khác tắt dần Ở đây, γ là góc chuyển mạch

H2.17 Trạng thái áp và dòng khi chuyển mạch trong chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển

ƒ Xét quá trình chuyển mạch xảy ra đối với chỉnh lưu tia ba pha SCR Giả sử dòng đang

đi qua V3 , nếu ta đóng V1 trong phạm vi góc điều khiển α sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch giữa các pha chứa V1, V3 , Trên V1 có điện áp chuyển mạch là u1- u3 , dòng iv1lập tức tăng từ 0 ⇒ Id và V3 có áp ngược là u3 - u1 , dòng iv3 lập tức giảm từ Id ⇒ 0

H2.18 Hiện tượng chuyển mạch trong chỉnh lưu tia ba pha điều khiển

dt

di L u dt

di L u

I i i

u dt

di L u

u dt

di L u

V V

d V V

d V

d V

3 3

1 1

3 1

3 3

1 1

−

=

−

=+

- Hạn chế phạm vi góc điều khiển và phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu

αmax = π - δ - γ với γ :góc CM Góc chuyển mạch được tính theo công thức :

α

ω α

I L

3

2 cos

Xét mạch tạo xung kích ứng với góc điều khiển cho bộ chỉnh lưu một pha

Đặc điểm:

- Điện áp thứ cấp máy biến áp giảm áp có mức điện áp 4 ÷ 5V , đồng bộ về pha với áp lưới

- Xung răng cưa có độ rộng bằng 1800 ứng với khoảng điều khiển góc α Max

- Aùp dụng cho mạch tia 1pha, 2 pha, mạch cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn, bán phần

H2.19 Phương pháp tạo xung kích đóng SCR theo góc điều khiển α

XII MÁY BIẾN ÁP DÙNG CHO CÁC BỘ CHỈNH LƯU

1 Công dụng:

- MBA thường dùng để đạt được các điện áp chỉnh lưu có giá trị cần thiết;

- Các cảm kháng của máy biến áp có tác dụng rất tốt trong quá trình chuyển mạch, chống méo dạng áp nguồn;

- Cách ly áp nguồn bộ chỉnh lưu với lưới điện

- Tác dụng lọc sóng hài bậc cao

- Có thể tạo hệ thống nguồn xoay chiều nhiều pha cung cấp cho bộ chỉnh lưu nhiều xung

2 Trạng thái dòng điện:

Qui tắc: Chỉ có thành phần xoay chiều được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp theo quy luật hình sin

Dòng điện pha cuộn thứ cấp

iS1 = iv1, iS2 = iv2 , is3 = iv3Phân tích: Sơ đồ mạch: Δ / Υ

iS = IS( AV ) + iSσ