CHƯƠNG 3 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

TỔNG QUÁT 1.Chức năng : Dùng để điều khiển trị hiệu dụng điện áp xoay chiều ngõ ra bộ biến đổi có nguồn ngõ vào có dạng điện áp xoay chiều không đổi.. Ứng dụng: - Các thiết bị nhiệt điệ

CHƯƠNG III: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

I TỔNG QUÁT

1.Chức năng : Dùng để điều khiển trị hiệu dụng điện áp xoay chiều ngõ ra bộ biến đổi có nguồn ngõ vào có dạng điện áp xoay chiều không đổi

2 Ứng dụng:

- Các thiết bị nhiệt điện (lò điện, thiết bị tiêu thụ nhiệt điện trong gia đinh)

- Đóng ngắt đèn và điều khiển độ sáng (trên sân khâu, đèn quảng cáo…)

- Các động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình (truyền động của các máy quạt, máy bơm, máy xay)

- Các truyền động nhỏ với các động cơ vạn năng công suất nhỏ (dụng cụ điện cầm tay, máy sấy, máy trộn)

- Hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng

3 Phân loại:

a) Theo số pha:

- 1 pha

- 3 pha

- m pha

b) Theo dạng mạch:

- Cơ bản (đối xứng)

- Tiết kiệm (không đối xứng)

c) Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi:

- Điều khiển pha

- Điều khiển theo thời gian

4 Các loại khoá xoay chiều bán dẫn:

a) Dùng khoá TriAC, Thyristor SCR (thường gặp) : H3.1

H3.1 b) Dùng khoá BJT, MOSFET, IGBT : H3.2

H3.2

II BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

1.Sơ đồ :

V1

V2

uz iz

H3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải Z Aùp nguồn xoay chiều một pha có phương trình u = Umsin ω t

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều gồm 2 SCR mắc đối song

Tải có thể dạng R, L hoặc RL

2 Phân tích:

2.1 Trường hợp tải R:

- V1 được đóng với góc trễ pha α, phần sóng dương của điện áp nguồn được đặt lên tải

- V2 được đóng với góc trễ pha α, phần sóng âm của điện áp nguồn được đặt lên tải

Quá trình điện áp và dòng điện của các đại lượng được vẽ trên hình H3.3 Các trạng thái trong một chu kỳ áp nguồn :

o Trạng thái 0: [0 … α]

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

<

−

=

−

=

=

>

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = α, tín hiệu kích IG1 > 0 ⇒ Thyristor V1 đóng vì thoả điều kiện khóa áp dương và được kích đóng

o Trạng thái V1: [α … π]

; 0

;

0

;

;

; sin

;

0

2 2

1

1

=

=

=

=

=

=

=

V

V

z z

z

V

m z

V

i

u

R

u i

i

i

t U

u u

(3.2)

Ở thời điểm ωt = π, u=0 ⇒ uz=0 ⇒ iz=0 ⇒ iV1=0 ⇒ SCR V1 ngắt

o Trạng thái 0: [π … π+α]

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

>

−

=

−

=

=

<

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = π+α, tín hiệu kích IG2 > 0 ⇒ Thyristor V2 đóng vì thoả điều kiện khóa áp dương và được kích đóng

o Trạng thái V2: [π+α … 2π]

; 0

;

0

;

;

; sin

;

0

1 1

2

2

=

=

=

−

=

=

=

=

V

V

z z z

V

m z

V

i

u

R

u i i

i

t U

u u

(3.4)

Ở thời điểm ωt = 2π, u=0 ⇒ uz=0 ⇒ iz=0 ⇒ iV2=0 ⇒ SCR V2 ngắt và quá trình lập lại từ đầu Giản đồ quá trình áp và dòng được trình bày trên H3.4

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

time, [s]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-300

-200

-100

0

100

200

time, [s]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-60

-40

-20

0

20

40

60

time, [s]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

time, [s]

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

0

10

20

30

40

50

60

70

time, [s]

Hình 3.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha – Tải R

Hệ quả:

Trị hiệu dụng điện áp trên tải R cho bởi hệ thức:

π

α π

α ω

ω π

π

2 sin 1

sin

+

−

=

Khi góc α thay đổi trong phạm vi [0…π] thì U ≥ Uz ≥ 0

Trị hiệu dụng dòng điện qua tải Iz:

Công suất tiêu thụ của tải :

2 2

. z

z

R

U

Hệ số công suất của nguồn:

π

α π

α λ

2

2 sin 1

.

2

+

−

=

=

=

=

U

U I U R U S

z

z

Trên H3.5 trình bày mối quan hệ giữa trị hiệu dụng áp ngõ ra Uz và hệ số công suất λ vào góc điều khiển α

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Goc dieu khien alpha, [rad]

0

50

100

150

200

250

Goc dieu khien alpha, [rad]

H3.5 Đặc tuyến điều khiển trị hiệu dụng điện áp tải và hệ số công suất

2.2 Trường hợp tải L:

A Phân tích : 2 trường hợp cần phân biệt

¾

2

≤

≤ : Dòng tải iz liên tục, uz=u; Uz =U (không đổi)

¾ π ≤ α ≤ π

2 : Dòng tải gián đoạn, trị hiệu dụng Uz thay đổi 0≤U z ≤U

Khảo sát trường hợp dòng tải gián đoạn

o Trạng thái 0: Tương tự tải R ta có các phương trình áp và dòng :

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

<

−

=

−

=

=

>

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = α, tín hiệu kích IG1 > 0 ⇒ Thyristor V1 đóng

o Trạng thái V1: [α … 2π-α]

; 0

;

0

;

; sin

;

0

2 2

1

1

=

=

=

=

=

=

V

V

z

V

m z

V

i

u

i

i

t U

u u

(3.7)

Phương trình dòng tải:

L

U t d t L

U i t U

dt

di

t m z m

ω ω ω ω

α

cos cos

sin

Dòng tải iz tăng dần từ thời điểm α, đạt cực đại ở ωt = π Sau đó giảm về 0 ở ωt = 2π-α, V1 ngắt ở thời điểm này

o Trạng thái 0: [2π-α … π+α]

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

>

−

=

−

=

=

<

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = π+α, tín hiệu kích IG2 > 0 ⇒ Thyristor V2 đóng

o Trạng thái V2: [π+α … 3π-α]

; 0

;

0

;

; sin

;

0

1 1

2

2

=

=

−

=

=

=

=

V

V

z

V

m z

V

i

u

i

i

t U

u u

(3.10) Phương trình dòng tải được xác định tương tự trường hợp cho V1

B Giản đồ áp và dòng tải:

H3.6 Giản đồ áp và dòng trường hợp tải L (góc điều khiển 120độ)

C Hệ quả :

¾ Trị hiệu dụng áp tải : Khi góc điều khiển α > π/2

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ − +

=

π

α π

2 sin 1

2 sin

U t d t U

π

¾ Trị hiệu dụng dòng tải :

π

α ω

ω π

α π

α

2 sin 3 cos

2 1 1 2

2

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

=

= ∫−i d t U L

2.3 Trường hợp tải RL:

Góc tới hạn ϕ là góc điều khiển mà dòng điện tải ở ranh giới giữa chế độ dòng điện gián đoạn và dòng liên tục Với tải RL, góc tới hạn cho bởi hệ thức:

R

L arctg ω .

ϕ = (3.13) Khi góc điều khiển lớn hơn ϕ dòng điện qua tải sẽ bị gián đoạn Trường hợp ngược lại, dòng tải liên tục :

¾ 0 ≤ α ≤ ϕ : Dòng tải iz liên tục, uz=u; Uz =U (không đổi)

¾ ϕ ≤ α ≤ π : Dòng tải gián đoạn, trị hiệu dụng Uz thay đổi 0≤U z ≤U

Phân tích trường hợp dòng tải gián đoạn:

o Trạng thái 0: Tương tự tải R ta có các phương trình áp và dòng:

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

<

−

=

−

=

=

>

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = α, tín hiệu kích IG1 > 0 ⇒ Thyristor V1 đóng

o Trạng thái V1: [α … β]

; 0

;

0

;

; sin

;

0

2 2

1

1

=

=

=

=

=

=

V

V

z

V

m z

V

i

u

i

i

t U

u u

(3.15) Phương trình dòng tải:

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

−

−

− +

=

⇒

= +

−

−

ωτ α ω

ϕ α ϕ

ω ω

ω

t m

z

m z z

e t

L R

U i

t U

dt

di

L

Ri

sin sin

sin

2 2

với ϕ là góc tới hạn, τ = L/R – thời hằng điện

Dòng tải iz tăng dần từ thời điểm α, đạt giá trị cực đại Sau đó giảm về 0 ở ωt =β, V1 ngắt ở thời điểm này

o Trạng thái 0: [β … π+α]

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

;

0

2 1

2

1 1

=

>

−

=

−

=

=

<

=

=

=

=

V m

V

V

V m

V

z

z

i t U

u

u

i t U

u

u

i

u

ω

Ở thời điểm ωt = π+α, tín hiệu kích IG2 > 0 ⇒ Thyristor V2 đóng

o Trạng thái V2:

; 0

;

0

;

; sin

;

0

1 1

2

2

=

=

−

=

=

=

=

V

V

z

V

m z

V

i

u

i

i

t U

u u

(3.18) Phương trình dòng tải được xác định tương tự trường hợp cho V1

Đồ thị điện áp và dòng điện của các đại lượng được vẽ trên hình H.3.7

Hình 3.7 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha – tải RL (dòng tải gián đoạn)

Hệ quả:

Trị hiệu dụng điện áp trên tải RL cho bởi hệ thức:

π

β

α π

ψ

2

2 sin 2 sin

= U

với ψ là góc dẫn của thyristor và β là góc tắt của thyristor

Gọi Iz là trị hiệu dụng dòng điện qua tải RL Công suất tiêu thụ của tải:

Pz=R.Iz2 (3.20) Công suất của nguồn xoay chiều:

S=U.I=U.Iz (3.21)

Hệ số công suất của nguồn:

U

U U

I R S

III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để điều khiển trị hiệu dụng điện áp xoay chiều Việc điều khiển diễn ra liên tục và cho đáp ứng nhanh Hiện tượng chuyển mạch giữa các linh kiện không xảy ra vì dòng điện qua tải có dạng xoay chiều Do đó, dòng phải giảm về 0 trước khi đổi chiều

1 Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ bộ biến đổi áp xoay chiều ba pha với 3 cấu hình thường gặp cho trên hình vẽ H3.8-H3.10

¾ Hình 3.8 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha dạng mạch đầy đủ (sử dụng 6 Thyristor) Mỗi pha là một cặp SCR mắc đối song và được mắc nối tiếp giữa pha nguồn và tải Tải có thể mắc sao hoặc tam giác (H3.8a,b) Ngoài ra cũng có thể mắc các cặp công tắc xoay chiều ở phía sau tải (H3.8c,d)

¾ Hình 3.9 Kết nối ba bộ biến đổi xoay chiều một pha dạng tam giác

¾ Hình 3.10 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha dạng mạch tiết kiệm (sử dụng 3 Thyristor và 3 Diode)

Xung kích được đưa vào cổng G của các Thyristor dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển đến cuối nửa chu kỳ tương ứng của sóng điện áp nguồn Mạch kích Thyristor cho bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dùng 6 SCR yêu cầu xuất 6 tín hiệu xung kích cho mỗi chu kỳ 20ms ; các xung kích lệch nhau 1/6 chu kỳ (600)

Phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều là phương pháp điều khiển pha, tương tự như cho bộ chỉnh lưu

LA

V1

u1

V4

RB

LB

V3 u2

V6

LC

V5

RC

u3

RA

u2

LA

V5

LB RB V3

LC

u3

V2 V4

RC u1

RB

V2 u2

V5

u1

LC RA

V4

RC

V1

u3

V3 V6

LB LA

V4 LB V2 LC

V1

RC RA

u1

RB

LA

V5

V6 V3

a

c

d HA1

H3.8

u2

V2 LB

V3 V1

RC u3

V6

RB

LC u1

LA

RA

D2 D4

RC RA

V3 V1

LC D6 V5

LA

u2

RB

LB

2 Các chế độ vận hành của bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ (H3.8a) :

a) Tải R: Nếu tải thuần trở và đối xứng (RA=RB=RC), khi góc điều khiển tăng từ 0 đến 5π/6, ta có ba chế độ vận hành nối tiếp nhau Xét trường hợp pha A :

¾ Chế độ 1 : 0 < α < π/3 : trạng thái 3 hoặc 2 SCR cùng dẫn

Khi α < π/3, góc tắt θ1 của V5 lớn hơn góc điều khiển α Lúc đó ta có trạng thái 3 hoặc

2 SCR cùng dẫn

ƒ α < θ < π/3: V1, V6 và V5 cùng dẫn

ƒ π/3 < θ < α+π/3: V1, V6 cùng dẫn Chế độ này, trong một nửa chu kỳ, SCR chịu áp khoá trong khoảng thời gian tương ứng với góc pha ψ = α

¾ Chế độ 2 : π/3 < α < π/2 : trạng thái 2 SCR dẫn

Khi α thay đổi trong phạm vi này, khoảng dẫn của các SCR có giá trị bằng nhau và bằng 1/3 chu kỳ lưới và chúng dịch chuyển một cách tuần tự

ƒ Khi α < θ < α + π/3 : V1, V6 cùng dẫn Chế độ này, trong một nửa chu kỳ, SCR chịu áp khoá trong khoảng thời gian tương ứng với góc pha ψ = π/3

¾ Chế độ 3 : π/2 < α < 5π/6 : trạng thái 2 SCR dẫn hoặc 0 SCR nào dẫn

Sự tồn tại các khoảng dẫn và các khoảng tất cả dòng bằng 0 yêu cầu phải kích 2 SCR cùng lúc Vì thế có hai cách thực hiện điều này :

ƒ hoặc kích các SCR bằng tín hiệu xung có độ rộng lớn hơn π/3;

ƒ hoặc sử dụng kích đôi (kích lặp) Ví dụ nếu V1 được kích ở thời điểm

α, thì nó sẽ được kích lặp ở α + π/3

Chế độ này, trong một nửa chu kỳ, SCR chịu áp khoá trong khoảng thời gian tương ứng với góc pha ψ = α - π/6

Khi α > 5π/6 không SCR nào dẫn điện và áp trên tải bằng 0

-500

0 500

-50 0 50

-500

0 500

0 20 40

-500

0 500

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -500

0 500

-50 0 50

-500

0 500

0 20 40

-500

0 500

time, [s]

H3.12 Giản đồ áp và dòng bộ BĐĐAXC3P tải R, góc α = 2.5π/6

-200 0 200

-20 0 20

-500 0 500

0 20 40

-500 0 500

time, [s]

H3.13 Giản đồ áp và dòng bộ BĐĐAXC3P tải R, góc α = 4π/6

b) Tải RL :

Tải có R và L không đổi được đặc trưng bởi tổng trở Z và góc tới hạn ϕ được xác định như sau :

R

L tg

L R

;

2 2 2

Do sự hiện diện cảm kháng L, các dòng tải trong các pha trở nên liên tục hơn, hiện tượng dòng gián đoạn xảy ra khi góc điều khiển lớn hơn góc tới hạn (α > ϕ)

¾ Chế độ 1 : ϕ < α < αl : trạng thái 3 hoặc 2 SCR cùng dẫn (αl : Giá trị đặc trưng bằng một hàm số phụ thuộc vào ϕ );

ƒ α < θ < θ1: V1, V6 và V5 cùng dẫn

ƒ θ1< θ < α+π/3: V1, V6 cùng dẫn Chế độ này, trong một nửa chu kỳ, SCR chịu áp khoá trong khoảng thời gian tương ứng với góc pha ψ = α + π/3 - θ1

¾ Chế độ 2 : không có;

¾ Chế độ 3 : αl < α < 5π/6 : trạng thái 2 SCR dẫn hoặc 0 SCR nào dẫn

ƒ α < θ < θ2: V1, V6 cùng dẫn

θ2 : góc tắt lần thứ hai của SCR V6

Chế độ này, trong một nửa chu kỳ, SCR chịu áp khoá trong khoảng thời gian tương ứng với góc pha ψ = 2π/3 + θ2

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -500

0 500

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -10

0 10

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -500

0 500

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -10

0 10

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -10

0 10

H3.14 Giản đồ áp và dòng bộ BĐĐAXC3P tải R=20Ω, L=0.1H, góc α = π/3

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -200

0 200

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -1

0 1

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -500

0 500

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -1

0 1

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 -1

0 1

H3.15 Giản đồ áp và dòng bộ BĐĐAXC3P tải R=20Ω, L=0.1H, góc α = 2π/3

3 Đặc tính của bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha dạng mạch đầy đủ:

a) Trị hiệu dụng điện áp tải : Cho tải R và RL

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+ +

− +

⋅

=

3 2 sin 2 sin 4

3 2

3 2

1

1 1

π θ α

π α θ π

U

z

¾ Chế độ 1 :

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+

⋅

=

6 2 sin 4

3 3 2

π

U

z

¾ Chế độ 2 (cho tải R):

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+

−

⋅

=

3 2 sin 3 2 sin 4

3 2

3

2 2

π θ

π α π

α θ π

U

Uz

(3.25)

b) Tải R : Trị hiệu dụng dòng điện qua pha tải Iz:

Công suất tiêu thụ của tải :

(3.27)

2

.

Hệ số công suất của nguồn:

U

I R I U

I R S

z

z

3

.

=

=

=

c) Tải RL : Trị hiệu dụng dòng điện qua pha tải Iz:

Iz=Uz/Z Công suất tiêu thụ của tải :

2

.

Hệ số công suất của nguồn:

U

I R I U

I R S

z

z

3

.

=

=

= λ

Ví dụ: Cho bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha, nguồn áp xoay chiều

u = 220 2 sin 100 π , [V] Chiều dương qui ước của áp tải và dòng tải như nhau sao cho thuận chiều dòng dẫn qua Thyristor V1 Tải gồm R=10Ω Góc điều khiển các Thyristor α =

1200

V1

V2 u

R

1.Vẽ giản đồ uz và iz; 2.Tính góc dẫn của một SCR trong một chu kỳ áp nguồn; 3.Tính trị hiệu dụng áp tải và dòng tải Uz, Iz

4.Tính giá trị cực đại của dòng tải ; 5.Nếu mắc nối tiếp với tải R một cuộn cảm có giá trị L=0.1H và giả sử xung điều khiển có dạng chuỗi xung với giá trị góc kích α = π/3 [rad] Kết luận gì về tính chất liên tục của dòng điện tải ?