Tài liệu CHƯƠNG 2: BỘ CHỈNH LƯU pptx

CHƯƠNG HAI BỘ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn điện một chiề

CHƯƠNG HAI

BỘ CHỈNH LƯU

Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều ; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều ; nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC) Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconverter dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều

Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW

2.1 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ cấu tạo

Các giả thiết :

Nguồn ba pha lý tưởng , đối xứng (trở kháng trong Lb,Rb=0)

u1 = Um.sinX

u2 = Um.sin ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ − 3

2π

u3 = Um.sin ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ − 3

4π

X

Với Um là biên độ áp pha

Um = 2 U ; U trị hiệu dụng áp pha

X = ω.t : giá trị góc ứng với thời điểm t, ω : tần số góc

Tải một chiều gồm R,L và sức điện động E mắc nối tiếp Giả sử dòng qua

tải i d liên tục

Phân tích :

Dể dàng nhận thấy rằng với nguồn áp ba pha lý tưởng không thể có hai (hoặc ba) diode đồng dẫn Do dòng điện tải liên tục nên tại mỗi thời điểm chỉ có một diode dẫn điện

Bằng phép chứng minh bằng phản chứng, ta dể dàng suy ra kết luận sau: diode dẫn điện là diode mắc vào nguồn áp xoay chiều với trị tức thời lớn nhất trong các pha tại thời điểm đang xét

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ < <

6

5 6

π π

X , giả thiết V2 đóng, V1 và V3 ngắt Từ đó:

uv2 = 0 và uv1 = u1 - u2.

Theo hình vẽ H2.1:

uv1 = u1 - u2 > 0

Như vậy, điện áp thuận xuất hiện trên diode khi dẫn điện Điều này vô lý

vì diode lý tưởng không cho phép áp đặt lên nó dương ở chế độ bị ngắt

Tương tự, giả thiết V3 dẫn trong khoảng này cũng không phù hợp

Kết quả: V1 dẫn trong khoảng ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ 6

5 6

π

π , Hệ phương trình mô tả trạng thái mạch :

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ < <

6

5 6

π π

X : V1 đóng, V2 và V3 bị ngắt Dòng điện dẫn qua mạch (u1,

v1,RLE)

uv1 = 0 ; iv1 = id

uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0 (2.2)

ud = u1

E dt

di L i R

u d = d + d +

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ < <

2

3 6

x : V2 đóng, V1 và V3 bị ngắt Dòng điện dẫn qua mạch (

u2,v2,RLE )

uv2 = 0 ; iv2 = id

uv1 = u1 - u2 ; iv1 = 0 ; uv3 = u3 - u2 ; iv3 = 0 (2.3)

ud = u2

E dt

di L i R

u d = d + d +

*

6

13 2

3π < x< π : V3 đóng,V1 và V2 ngắt Dòng điện dẫn qua mạch: (

u3,v3,RLE )

uv3 = 0 ; iv3 = id

uv1 = u1 - u3 ; iv1 = 0 ; uv2 = u2 - u3 ; iv2 = 0 (2.4)

ud = u3

E dt

di L i R

u d = d + d + Dạng đồ thị các đại lượng áp và dòng điện được vẽ trên hình H2.b

Hệ quả:

- Điện áp chỉnh lưu có 3 xung, chu kỳ áp chỉnh lưu Tp = T/ 3 với T là chu kỳ áp nguồn xoay chiều

- Khi dòng tải liên tục, điên áp tải chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và có độ lớn trị trung bình Ud :

U U

XdX U

π π

π

π π

6 3 2

3 3

3 2

6

=

=

Trị trung bình dòng điện tải ở xác lập Id :

Ud = R.Id + E

⇒ Id =

R

E

- Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ Do đó trị trung bình dòng qua diode:

3 3

2

6

d T

TAV

I dX i

Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode bằng biên độ áp dây

2.2 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ cấu tạo :

Mạch chứa nguồn áp xoay chiều 3 pha lý tưởng, 3 thyristor mắc dạng tia

Mạch được phân tích với giả thiết dòng qua tải liên tục Do đó, tại mỗi thời điểm,

dòng điện tải sẽ khép kín qua một nhánh mạch chứa nguồn và thyristor dẫn điện

Do tính chất đối xứng của nguồn, nên các thyristor sẽ kích đóng đối xứng theo trật tự V1 ,V2 ,V3 ,V1

Giả thiết V3 dẫn điện và ta muốn kích đóng V1 Muốn vậy ta xét dấu điện áp trên V1 theo hệ thức :

uv1 = u1 - u3 + uv3 = u1 - u3 (do uv3 = 0)

Do u1 - u3 > 0 (tức có áp khoá trên V1) khi

6

7 6

π π

<

< X nên V1 sẽ đóng nếu

ta thực hiện đưa xung kích đóng nó trong khoảng này Gọi Xα là vị trí xung kích đưa vào V1 và α là góc cho bởi:

α = Xα -

6

Góc α được gọi là góc kích hoặc góc điều khiển của thyristor và có độ lớn được tính từ thời điểm xuất hiện điện áp khóa trên thyristor đang xét đến thời điểm đưa xung kích vào cổng điều khiển của thyristor đó

Tại vị trí có góc điều khiển α , V1 đóng nên :

uv1 = 0

Trên V3 xuất hiện điện áp ngược đặt trực tiếp giữa anode-cathode :

uv3 = u3 - u1 < 0 nên V3 ngắt

Dòng điện tải khép kín qua mạch ( u1 , V1 ,RLE ) Các phương trình mô tả mạch lúc V1 dẫn có dạng:

uv1 = 0 ; iv1 = id

uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0

E dt

di L i R

Tương tự , ta phân tích các quá trình kích đóng V2 ,V3

Dòng điện qua V3 bị ngắt do tác dụng điện áp nguồn xoay chiều (u3-u1) nên điện áp chuyển mạch là điện áp nguồn Do điện áp chuyển mạch tạo thành từ bản thân của nguồn điện (mạch công suất ) nên quá trình chuyển mạch được gọi là quá trình chuyển mạch tự nhiên hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc

Các hệ quả khi dòng liên tục

- Điện áp tải có dạng không phụ thuộc độ lớn dòng điện tải và các

tham số mạch tải và chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc điều khiển α Điện áp tải có 3 xung trong 1 chu kỳ T của áp nguồn Chu kỳ áp chỉnh lưu Tp trên tải bằng Tp = T/3

- Trị trung bình áp chỉnh lưu trên tải

π

= α π

= π

=

2

6 3 cos U 2

3 3 XdX sin U 3

2

1

7 6 m

- Phạm vi góc điều khiển α : do điện áp khóa trên thyristor chỉ tồn

tại trong khoảng góc 0 nên góc điều khiển có phạm vi điều khiển là (0,π )

Từ đó, điện áp chỉnh lưu trung bình Ud sẽ có độ lớn nằm trong

π

6 3 2

6 3

+

<

<

- Khi điện áp trên tải có trị trung bình dương, tải nhận năng lượng từ nguồn và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu Khi áp trung bình trên tải âm, do dòng tải chỉ dương nên tải phát ra năng lượng và ta gọi bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu

- Định mức linh kiện:

- Mỗi thyristor dẫn điện trong 1/3 chu kỳ áp nguồn do đó trị trung bình dòng qua nó ITAV =

3

d

I (2.13) Điện áp khóa và áp ngược lớn nhất có thể xuất hiện trên linh kiện có độ lớn bằng: UDRM = URRM = 6.U (2.14)

Ví dụ 2.1:

Bộ chỉnh lưu mạch tia 3 pha điều khiển mắc vào tải chứa R = 10Ω , E=50 V và tải rất lớn làm dòng tải liên tục và phẳng Áp nguồn xoay chiều 3 pha có trị hiệu dụng U=220 V Mạch ở trạng thái xác lập

a Tính trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và dòng chỉnh lưu khi góc điều khiển α=

3

π [rad]

b Tính công suất trung bình của tải

c Tính trị trung bình dòng qua mỗi linh kiện

d Tính trị hiệu dụng dòng qua mỗi pha nguồn

e Tính hệ số công suất nguồn

Giải:

a/- Dòng qua tải liên tục nên suy ra:

Ud( ) α =32π6.U cosα

Thay U= 220 [v], α=

3

π [rad], ta thu được

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ 3

220 2

6

π . .cos = 128,6 [V]

Mạch ở trạng thái xác lập nên ta có:

Ud = RId + E , hay Id =

R

E

U d − Thay Ud = 128,6 [V]; E = 50 [V]; R= 100[ ] Ω

ta có kết quả:

Id = , 7 , 87 [A]

10

50 6 128

=

−

b Do dòng tải phẳng nên ta sử dụng hệ thức tính công suất trung bình sau:

Pd = Ud Id hay Pd =128,6x 7,86 = 101,8 [W]

c Mỗi linh kiện dẫn điện trong khoảng thời gian bằng nhau và bằng 1/3 chu kỳ lưới Từ đó, dòng trung bình qua mỗi linh kiện bằng:

ITAV= Id / 3 =7,83 / 3 =2,62 [A]

d Từ dạng đồ thị dòng qua pha nguồn của bộ chỉnh lưu, ta có trị hiệu dụng dòng I:

I =

3

d

I

I = 4,54.[A]

e Hệ số công suất của nguồn λ

λ =

S

P

với P = 1

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

+ +

π 2

dX i u i u i

Nếu bỏ qua công suất tổn hao trên linh kiện, ta có:

P = Pd =1010,8 W=1,01kW

Công suất biểu kiến của nguồn

S = UÙ1I1+ UØ2I2+ U3I3= 3U1I1

với :

U1=U=220 V ; I1=I= 4,54 A ; S= 3.220.4,54 = 2904 VA=2,9kVA

Hệ số công suất của nguồn S:

λ=

S

P =

2904 8

1010, = 0,3481

Ghi chú: hệ số công suất thay đổi phụ thuộc vào góc điều khiển và có độ lớn

giảm dần khi góc điều khiển tăng dần và đạt giá trị lớn nhất khi góc điều khiển bằng 0 (giống như trường hợp chỉnh lưu không điều khiển) Hệ số công suất nguồn thường có

giá trị nhỏ hơn 1 ngay cả khi góc điều khiển nhỏ nhất (α=0)

Ví dụ 2.2:

Tính trị trung bình áp và dòng chỉnh lưu, công suất tải tiêu thụ của bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha điều khiển

Tải có R= 10 [Ω], E=50 [V] và L=0 Áp nguồn U=220 [V]; góc điều khiển 3

π

α = [rad]

Giải:

Phân tích: giả sử lúc đầu dòng qua tải bằng 0 Ta có :

Ud = R.Id + E =E Khi 0 < X<

3

π

λ =

3 2 220

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

là áp khóa, lại có xung kích (IG1 >0) nên V1 đóng Dòng điện khép kín qua mạch (u 1,V1,RE) Lúc đó: uv1 =0 và ud = -uv1 + u1 = u1

iv1 =id =

R

E u R

E

u d − = 1− Dòng V1 sau đó giảm về 0 tại X= X1 khi u1 =E

iv1(X1) =0 ⇒iv1 bị ngắt

Dòng tải id bị gián đoạn (trạng thái 0), phương trình mô tả mạch:

id =0

ud = E = 50 V

Trạng thái 0, kéo dài đến khi V2 được kích Hiện tượng đóng và ngắt dòng qua V2 diễn ra tương tự như đối với V1

Từ đồ thị minh họa các quá trình trên hình H2.3, ta có:

a Trị trung bình điện áp chỉnh lưu Ud

Do dòng tải id bị gián đoạn nên ta không áp dụng công thức tính Ud của trường hợp dòng liên tục được Ta có:

( )

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

+

=

+ +

+

1

1

6

6 5 6

5

3

3 2

X m

d

π α π

α α

π

⎠

⎞

⎜

⎝

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

6

5 6

2

3

X E

X U

π

V

4 72

98 2 6

5 3 50 98 2 6

3 2 220 3 2 ,

, ,

cos cos

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

π

Trị trung bình dòng tải ở xác lập:

A R

E U

10

50 4

=

−

=

b Công suất trung bình trên tải:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

− π

=

− π

=

π

=

∫

∫

π

π α

π + α

π α

6

X 6 d

2 d X

6

d d d

6 5

6

d d d

dx u R

E dx

R

u 2

3 dx R

E u u 2

3 P

dx i.

u 3 2

1 P

Thay X1 =2,98 [rad], [rad],u d 220 2 sinx

= π α

E =50 [V], R = 10[Ω] và lấy tích phân ta thu được:

Pd =5.553W=5,55kW

2.3 - BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

Sơ đồ cấu tạo:

Mạch nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng mắc vào bộ chỉnh lưu cầu gồm 6 thyristor Các điện áp udA , udK là điện áp từ điểm nút chung của các nhóm linh kiện đến điểm trung tính của nguồn áp ba pha

Phân tích:

Mạch điện được phân tích với giả thiết dòng điện qua tải id liên tục Theo

phép cộng điện áp, ta có:

ud = udA - udK

Ta sẽ chứng minh rằng nếu dòng tải liên tục, điện áp udA sẽ chỉ phụ thuộc vào góc kích đóng của nhóm linh kiện ( V1 ,V3 ,V5 ) và điện áp nguồn ; và áp udK phụ thuộc góc kích đóng của nhóm (V2 ,V4 ,V6 )

Thật vậy, xét nhóm anode (V1 ,V3 ,V5 ), giả sử rằng V1 đóng và V3, V5 bị ngắt, ta có:

iV1 = id ; iV3 = 0 ; iV5 = 0

uV1 = 0 ; uV3 = u2 - u1 ; uV5 = u3 - u1 ; udA = u1 Rõ ràng, các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode không phụ thuộc vào trạng thái kích đóng của các thyristor nhóm cathode Do đó, để khảo sát điện áp udA, ta chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng của các thyristor (V1 ,V3 ,V5 )

Các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode có dạng giống như mạch chỉnh lưu tia ba pha với áp chỉnh lưu udA, (hình H2.5) Góc điều khiển α ví dụ của V1, được tính từ vị trí xuất hiện áp khóa trên V1 tức uv1 = u1 - u3 > 0

Tương tự, hoạt động nhóm cathode có thể phân tích dưới dạng chỉnh lưu mạch tia

ba pha với áp chỉnh lưu udK Góc điều khiển, ví dụ của V2 được tính từ vị trí xuất hiện điện áp khoá trên V2, tức là:

uV2 = u2 - u3 > 0 Phương trình điện áp tải và dòng tải:

ud = udA - udK

E dt

di L

i d + d +

R

u d = Tổng hợp các kết quả phân tích ở trên, ta có thể viết phương trình mô tả trạng thái mạch, ví dụ khi V1 ,V2 đóng :

uV1= 0 ; uV2 = 0 ; uV3 =

u2 - u1 ; uV4 = u3 - u1

iV1 = id ; iV2 = id ; iV3 = 0

; iV4 = 0

uV5 = u3 - u1 ; uV6 = u3 -

u2

iV5 = 0 ; iV6 = 0

ud = udA - udK = u1 - u3

E dt

di L i R

Đồ thị điện áp và dòng điện các đại lượng mạch được vẽ trên hình H2.6

Xung kích:

Giả sử tại thời điểm đưa xung kích cho thyristor V2 bắt đầu trạng thái (V1V2) Nếu dòng điện tải liên tục, việc kích V2 sẽ làm cho nó dẫn điện Nếu dòng điện tải ở trạng thái gián đọan, việc đưa xung kích cho V2 không thể làm nó dẫn vì dòng điện không thể khép kín qua nhóm anode đang ở trạng thái ngắt Trong trường hợp này, để tạo điều kiện cho việc kích V2 thành công, xung kích phải được đưa đồng thời cho cả V1 Như vậy, V1 được kích lập lại Tương tự khi khảo sát việc chuyển mạch giữa các linh kiện còn lại Trình tự kích V1V2, V6 cuối cùng có dạng như trên hình vẽ H2.6b Khoảng cách giữa xung kích đồng thời đến xung kích lập lại bằng π3 Ngoài dạng xung đơn kích lập lại trên linh kiện vừa nêu (kỹ thuật kích đôi – double trigger), xung kích có thể ở dạng chuỗi xung hoặc dạng xung kích liên tục (H2.6c)

Hệ quả: Khi dòng điện tải liên tục:

-Dạng điện áp tải có 6 xung và chỉ phụ thuộc vào góc điều khiển và điện áp nguồn xoay chiều Chu kỳ xung chỉnh lưu bằng

6

1 chu kỳ áp nguồn

Tp =

6

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:

π

= α

− α

= π

=

6 2

1

2 x

d

0 0

π

=

(

với U là trị hiệu dụng điện áp pha U =

2

m

U

- Phạm vi góc điều khiển α : bằng phạm vi góc điều khiển của các nhóm chỉnh lưu mạch tia, tức ( 0, π) Do đó, điện áp trung bình trên tải có thể điều khiển thay đổi trong khoảng

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

− U, U

π π

6 3 6

Dòng trung bình qua tải (RLE): Id =

R

E

U d −

Mỗi thyristor dẫn điện trong 1

3 chu kỳ áp nguồn nên trị trung bình dòng điện qua nó:

ITAV =

3

d

I (2.19) Điện áp khóa và áp ngược cực đại xuất hiện trên linh kiện

U U

U

- Dòng điện qua nguồn điện áp, ví dụ qua pha 1:

i1 = iV1 - iV4

Tri hiệu dụng dòng điện qua nguồn được xác định với giả thiết dòng tải không đổi:

d 2 2

0

2

3

2 ] dX i 2

1 [

π

Bằng cách phân tích Fourier dòng điện qua nguồn cho trường hợp góc kích

0

=

α , ta xác định biểu thức dòng điện qua pha thứ nhất:

) t 13 sin 13

1 t 11 sin 11

1 t 7 sin 7

1 t 5 sin 5

1 t (sin

I

3

2

)

t

(

π

Kết quả cho thấy dòng điện qua nguồn bao gồm ngòai thành phần cơ bản còn có các sóng hài bậc 6k 1, k=1,2,3… ±

Các thành phần sóng hài dòng điện gây ra nhiều ảnh hưởng bất lợi trong hệ thống điện lưới nên chúng cần được khử bỏ Mạch lọc cơ bản được lắp đặt giữa hệ thống lưới điện và bộ chỉnh lưu bao gồm các bộ lọc cộng hưởng LC và mạch lọc thông cao RLC Mạch lọc cộng hưởng được hiệu chỉnh chủ yếu cho các sóng hài bậc 5 và 7 vì chúng có biên độ lớn nhất

Ví dụ 2.3Ï:

Cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn với các tham số sau: áp dây nguồn ac 480V, f=50Hz Tải R=10, L=50mH Xác định góc kích để dòng tải trung bình bằng 50A

Giải:

Trị trung bình áp tải: Ud=R.Id=50.10=500V

Góc kích:

0 5 39

480 2 3

500 2

3 ,

cos

cos

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

α

π π

U

U ar

L d