Giáo trình điện tử công suất chương bộ biến đổi điện áp pha

Nguyên tắc hoạt động của BBĐ 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 hình sin làm cho điện áp ra c

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - XOAY CHIỀU

(Bộ biến đổi điện áp pha) MỤC TIÊU CHƯƠNG

Hiểu sự vận hành và các đặc tính của một bộ biến đổi điện áp xoay chiều: nắm vững các dạng sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều và ứng dụng của BBĐ điện áp xoay chiều – xoay chiều trong thực tế

4.1 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 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

BBD 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 BBĐ 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 hình 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 điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng 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 không còn dạng hình sin nữa

Các BBĐ xoay chiều - xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp như sau:

- Để điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công 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 không đồng bộ rô to lồng xóc công suất trung bình và lớn

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

4.2 BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU-XOAY CHIỀU MỘT PHA

4.2.1 Các sơ đồ BBĐ điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều một pha

Hình 4.1: Các sơ đồ (phần lực) BBĐ xoay chiều – xoay chiều một pha

Trên các hình 4.1 là các sơ đồ mạch động lực BBĐ điện áp pha một pha Hình 3.1a là sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược Hình 4.1b là sơ đồ dùng

2 điôt và 2 thyristor với mục đích là để cho katôt 2 thyristor nối chung Hình 4.1c là

D3 D1

T

D2

T

D4

T1

it

a

T1

it

ung

ut

T2

D1 D2

b

it

ut Zt ung

c

it

ut ung

d

T

it

e

sơ đồ dùng triac, triac là dụng cụ bán dẫn cho dòng điện qua cả hai chiều nhưng điều khiển được, về phần động lực thì nó tương đương như 2 thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ có một điện cực điều khiển nên kết cấu gọn hơn dùng 2 thyristor mắc song song ngược cả về mạch lực cũng như mạch tạo tín hiệu điều khiển Hình 4.1e là sơ đồ BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha không đối xứng, trong

sơ đồ này ta sử dụng một điôt và một thyristor nên khi sơ đồ làm việc trong đường cong điện áp trên tải có thành phần một chiều, vì vậy sơ đồ này chỉ sử dụng để cung cấp cho loại phụ tải sử dụng được cả điện áp một chiều và điện áp xoay chiều ví dụ như là dây điện trở của lò điện trở

Hình 4.2

Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của BBĐ ta xét nguyên lý hoạt động của một

sơ đồ (ví dụ: sơ đồ hình 4.1a) trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở Giả thiết điện áp nguồn như đồ thị hình 4.2a, đồ thị tín hiệu điều khiển của T1 và T2 như hình 4.2b và hình 4.2c

t

t

t

ut it

2

0

0

0

0

uđkT

1

2

2

uđkT

2

un

g

t 2

a

b

c

d

Ta có : Từ t = 0 đến t < 1 =  thì ung > 0 và đặt điện áp thuận lên T1 và đặt điện áp ngược lên T2, do vậy van T2 phải khoá nhưng T1 còn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển Như vậy trong khoảng này dòng qua tải bằng không nên điện áp trên tải cũng bằng không (ut = Rt.it , trong đó Rt là điện trở phụ tải), điện áp trên các van: uT1 = ung và uT2 = -ung Tại t = 1 =  xuất hiện xung điều khiển trên điện cực điều khiển của T1, do vậy T1 có đủ 2 điều kiện để mở nên T1 mở Van T1 mở, dẫn đến sụt áp trên nó giảm về bằng không,ta có ut = ung và xuất hiện dòng qua tải it = ut/

Rt = ung/Rt , lúc này uT1 = uT2 = 0

Đến t =  thì ung = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, dòng qua T1 và tải cũng bằng không và có xu hướng đổi chiều nên T1 sẽ khoá lại (do van không cho dòng đi theo chiều ngược) Lúc này T2 cũng chưa mở nên dòng tải lại bằng không và điện áp trên tải cũng bằng không

Tại t = 2 = + xuất hiện tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển của T2

và van T2 sẽ mở do đang có điện áp thuận, điện áp trên T2 giảm về bằng không nên

ut = ung , lại có dòng tải it = ut/Rt = ung/Rt

Đến t = 2 thì ung = 0 và bắt đầu chuyển sang dương, nó sẽ tác động ngược chiều dòng qua T2 Lúc đó it cũng bằng không và có xu hướng đổi chiều nhưng T2 không cho dòng đi theo chiều ngược lại nên T2 khoá lại mà T1 còn chưa mở vì chưa

có tín hiệu điều khiển nên dòng tải lại bằng không và ut = Rt.it = 0

Đến t=2=2+ thì van T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở và sự làm việc của sơ đồ diễn ra giống như chu kỳ vừa xét

Đồ thị điện áp nguồn ung ; điện áp điều khiển các van uđkT1, uđkT2 ; điện áp và dòng trên tải ut , it được biểu diễn trên các đồ thị hình 4.1 Điện áp trên phụ tải là điện áp xoay chiều không hình sin có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn và giá trị hiệu dụng điện áp trên tải sẽ càng nhỏ khi góc  càng tăng Sóng hài bậc nhất điện áp tải

có tần số bằng tần số nguồn cung cấp

Góc  trong BBĐ này được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển

4.2.2 Dòng điện và điện áp trên tải của BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha

4.2.2.1 Biểu thức dòng tải tổng quát

Để nghiên cứu dòng và áp trên tải ta sửdụng sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược như hình 4.1a Do tính đối xứng của sơ đồ nên ta chỉ cần xét trong thời gian một nửa chu kỳ và suy ra nửa chu kỳ kia Ta giả thiết cho sơ đồ làm việc với một góc điều chỉnh , chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm truyền xung điều khiển đến mở một van của sơ đồ , ví dụ là mở T1 Lúc đó do T1

mở nên uT1=0 và ta có phương trình vi phân:

/ ( )

R i  L di dt U sin wt y

Để giải phương trình vi phân (4.1) ta đặt:

*

i i I t / m i t/ U m/R t R i U t t / m; tL R t/ t

Trong đó i* là giá trị tương đối dòng phụ tải ; Im là giá trị cực đại dòng tải khi

Lt=0, nó được chọn làm đại lượng cơ bản ;  là hằng số thời gian mạch tải Thế (4.2) vào (4.1) ta được phương trình:

i t di dt sin wt y

Từ nguyên lý sơ bộ của BBĐ đã nêu trong mục trước ta có nhận xét rằng: Nếu dòng qua tải là liên tục thì hai van trong sơ đồ phải luân phiên thay nhau làm việc, lúc đó nếu ta bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên thyristor dẫn dòng thì điện áp giữa 2 điểm A và B trên sơ đồ hình 4.3 luôn luôn bằng không (vì luôn có một trong hai van dẫn dòng), do vậy điện áp trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn Muốn có điện áp trên tải khác điện áp nguồn thì phải cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ điện áp nguồn, điều này có nghĩa là dòng qua tải phải gián đoạn Như vậy loại trừ trường hợp điện áp ra trùng với điện áp nguồn thì chế độ làm việc của BBĐ điện áp pha là chế độ dòng gián đoạn, tức là tại thời điểm bắt đầu mở van thì dòng qua tải đang bằng không Giải phương trình (4.3) với điều kiện đầu i*=i*

|( t=0)=0 ta được:

Ta đặt  = arctg là góc lệch pha của sóng hài bậc nhất dòng và áp trên tải Chuyển về đơn vị tuyệt đối ta có:

 

Đây là biểu thức tổng quát dòng qua phụ tải của BBĐ điện áp xoay chiều-xoay chiều một pha Sau đây ta sẽ tìm biểu thức dòng tải trong một số trường hợp đặc biệt

Hình 4.3: Đồ thị áp và dòng trên tải của BBĐ xoay chiều – xoay chiều một pha

a) Khi tải thuần trở; b)khi tải trở cảm; c) khi tải thuần cảm

4.2.2.2 Dòng qua tải khi tải thuần trở

Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt>>Lt thì   0 và  0, do vậy biểu thức dòng tải có dạng đơn giản như sau:

ut(nét đậm) it(nét

mảnh)

ut it

ut it

ut it

t 2

>0 a

1' 1

2

2'

t 2

>

b

1'

2

>/2 c

 /  ( )

.3.4.2 Dòng qua tải khi tải thuần cảm

Trong trường hợp phụ tải thuần cảm Rt = 0 hoặc khi Rt<<Lt, lúc đó ta có  /

2 và  và do vậy e-t/1 Từ đó ta tìm được biểu thức dòng tải của trường hợp này là:

i U wL sin wt y p   sin y p U wL cosy cos wt y 

Ta có đồ thị ut và it trong 3 trường hợp phụ tải là thuần trở (a), điện trở điện cảm (b) và khi phụ tải thuần cảm (c) được biểu diễn trên các đồ thị hình 4.4 Nếu gọi khoảng thời gian dẫn dòng của một van trong một chu kỳ điện áp nguồn qui ra góc

độ điện là góc dẫn của van và ký hiệu là  thì  được biểu diễn như trên đồ thị Khi tải thuần trở =-, khi tải thuần cảm thì =2(-), còn trường hợp tải điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thì góc  nằm trong khoảng giới hạn bởi hai trường hợp đặc biệt trên

**Nhận xét:

- Khi phụ tải của BBĐ có tính chất điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thì tại thời điểm bằng không và bắt đầu đổi dấu của điện áp nguồn ung thì van làm việc ở giai đoạn trước chưa khoá lại mà vẫn tiếp tục dẫn dòng nhờ s.đ.đ tự cảm trong điện cảm phụ tải Lt, do vậy mà góc dẫn của van trong trường hợp này lớn hơn khi tải thuần trở nếu cùng làm việc với một góc điều khiển  như nhau Nếu ta ký hiệu  khoảng thời gian kéo dài sự dẫn dòng của van do s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Lt qui ra góc độ điện là, thì góc  được xác định như trên đồ thị Do đặc điểm này mà khi đặc tính tải của BBĐ thay đổi thì giá trị hiệu dụng của điện áp ra cũng thay đổi theo mặc dù ta vẫn giữ nguyên giá trị góc điều khiển 

- Góc  sẽ tăng dần khi giảm góc điều khiển  và khi  thì  đạt giá trị cực đại

và bằng  Khi  =  thì góc dẫn của van  = max =  , có nghĩa rằng mỗi van sẽ dẫn dòng một nửa chu kỳ trong một chu kỳ điện áp nguồn và như đã nêu thì trong trường hợp này điện áp ra trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn Nếu độ dài của xung điều khiển đủ lớn () thì khi phát tín hiệu điều khiển mở van với các góc điều khiển nằm trong khoảng: 0 thì góc dẫn của mỗi van vẫn là:  = max =  Điện áp và dòng điện trên tải có dạng hình sin, các van của BBĐ lúc này đóng vai

trò như một công tắc không tiếp điểm mà không còn tác dụng điều chỉnh điện áp trên tải Vậy với BBĐ này thì khi 0 ta không điều chỉnh được điện áp ra trên tải Để điều khiển được điện áp trên tải thì góc điều khiển của BBĐ phải thoả mãn điều kiện: 1800 >  > 

.3.4.2 Điện áp trên phụ tải BBĐ xoay chiều-xoay chiều

Giá trị tức thời của điện áp trên tải được xác định như sau: khi có một van nào

đó trong hai van dẫn dòng thì ut =ung , khi cả hai van đều khoá thì ut=0 Vậy trong thời gian một chu kỳ nguồn cung cấp (bắt đầu tính từ lúc mở T1) ta có:

-Từ t = 0  t = : T1 mở nên ut = ung

-Từ t =   t = : T1 và T2 đều khoá nên ut = 0

-Từ t =   t = + : T2 mở nên ut = ung.

-Từ t =  +   t = 2: T1 và T2 đều khoá nên ut = 0

*Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, ký hiệu là Ut, được xác định theo biểu thức:

2 2

Trong đó Um là biên độ điện áp

nguồn cung cấp cho BBĐ Tuỳ thuộc

vào đặc tính cũng như giá trị phụ tải

và giá trị  ta sẽ xác định được giá

trị góc  và thay vào (4.8)

ta sẽ tìm được giá trị hiệu dụng điện áp

trên tải Giá trị tương đối Ut* = Ut/Ung theo

góc điều khiển  biểu diễn bằng đồ

thị hình 4.4

Đường 1 là khi tải thuần trở ; đường 2

là khi tải điện trở-điện cảm có giá trị Lt và Rt sao cho arctg(Lt/Rt) =  , còn đường

3 là trường hợp tải thuần cảm

Ut*

1,00 0,75 0,50 0,25

0 /4 /2 3/4 0,00

3

Hình 4.4: Đặc tính điều chỉnh của BBĐ

xoay chiều-xoay chiều

.3.4 Tính chọn van cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều

Việc chọn và kiểm tra các thyristor cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều cũng tương

tự như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu) đã nghiên cứu trong chương trước Đối với các van trong BBĐ này ta có:

- Giá trị trung bình dòng qua van: I Ttb  1/ 2 ( p)0 i wt d wt t( ) ( )

- Giá trị hiệu dụng dòng qua van:

2 0

1/ 2( ) ( ) ( )

I  p  i wt d wt

Khi tính chọn van ta phải lấy giá trị dòng qua van ở chế độ nặng nề nhất, tức tương ứng khi góc dẫn của van là cực đại ( = max = ) , lúc đó giá trị trung bình và hiệu dụng cực đại của dòng các van là

Trong đó Imax là giá trị hiệu dụng cực đại của dòng tải khi quá tải cho phép với giả thiết Ut*=1 và với một tải cụ thể đã cho

Điện áp ngược lớn nhất trên van bằng biên độ điện áp nguồn xoay chiều :

2 .

Các điều kiện chọn và kiểm tra cũng tương tự như đã nêu trong chương một

.3.4 Bảo vệ BBĐ xoay chiều-xoay chiều

Hình 4.5: Bảo vệ BBĐ xoay chiều – xoay chiều

Các BBĐ xoay chiều-xoay chiều khi làm việc cũng có thể xảy ra quá dòng và áp như các BBĐ xoay chiều-một chiều, vì vậy ta cũng phải trang bị các bảo vệ như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều đã xét Trong BBĐ này để bảo vệ quá áp cho 2 van mắc song song ngược ta dùng một mạch R-C mắc song song với chúng (hình 4.6), ngoài ra trong một số trường hợp có thể dùng thêm mạch R-C mắc song song với nguồn cung cấp

T1

i t

B C1 R 1 A

T2 C2

R2

4.1 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA

Hình 4.6: Các dạng sơ đồ BBĐ xoay chiều – xoay chiều

Các BBĐ điện áp xoay chiều-xoay chiều 3 pha tuỳ thuộc vào phụ tải và dụng

cụ sử dụng mà có một số dạng khác nhau như trên các sơ đồ hình 4-7 Sơ đồ hình 4-7a và hình 4-7b là sơ đồ dùng 3 cặp tiristor mắc song song ngược có dây trung

e

T 4 (S1)

D1

O C

B A

T1

ZC ZB

ZA

(S2)

T

D3 D2 T3

(S1) T2

C B

A

T1

ZC ZB

ZA

(S3) T3

g

B1 A1

C1 B1

A1

ZA

ZB

ZC

O C

B A

T3 T2

T1

ZC ZB

ZA c

C B

A

T 3

T2 T

1

ZC ZB

ZA d

a

(S1) T2

O C

B A

T1

ZC ZB

ZA

( S2) T3 T4 T5 ( S3) T6

(S1) T2

C B

A

T1

ZC ZB

ZA

( S2) T3 T4 T5 ( S3) T6

tính và không có dây trung tính (cũng có thể nối phụ tải dạng tam giác) Hình 4-7c

và d là các sơ đồ dùng triac có và không có dây trung tính Hình4-7e,g là một số sơ

đồ BBĐ không đối xứng, các sơ đồ này chỉ dùng để điều chỉnh điện áp cung cấp cho các phụ tải vừa có thể dụng nguồn xoay chiều đồng thời cũng có sử dụng nguồn cung cấp một chiều (ví dụ tải điện trở)

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ BBĐ 3 pha xoay chiều-xoay chiều có dây trung tính hoàn toàn giống như nguyên lý hoạt động của 3 BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha làm việc độc lập với phụ tải từng pha Còn nguyên lý hoạt động của

sơ đồ không có trung tính hoặc trường hợp phụ tải nối dạng tam giác thì có phức tạp hơn Trong giới hạn chương trình ta không xét chi tiết hoạt động của các sơ đồ này Nguyên lý hoạt động các sơ đồ trên có thể xem trong các tài liệu tham khảo

4.2 MẠCH ĐIỀU KHIỂN BBĐ XOAY CHIỀU-XOAY CHIỀU

.3.4 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 thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac thì trong một chu

kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch nhau một góc độ điện là

1800 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ chỉnh lưu 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:

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 BBĐ xoay chiều-xoay chiều thì xung điều khiển các van, đặc biệt là của hai 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 các máy biến áp, , đòi hỏi có độ đối xứng rất cao Đó là vì khi góc điều khiển của 2 van trong cùng một 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