2.15 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU Thời điểm đưa xung kích đóng các thyristor trong các bộ chỉnh lưu tương ứng với góc điều khiển dựa vào kết quả so sánh hai tín hiệu cơ bản: tín h
Trang 12.15 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU
Thời điểm đưa xung kích đóng các thyristor trong các bộ chỉnh lưu tương ứng với góc điều khiển dựa vào kết quả so sánh hai tín hiệu cơ bản: tín hiệu điều khiển u
α
đk và tín hiệu đồng bộ up (hình H2.68)
Tín hiệu đồng bộ tạo mốc chuẩn về thời gian cần cho việc xác định góc điều khiển, đồng thời xác lập đặc tính giữa áp chỉnh lưu trung bình Ud và áp điều khiển uđk Do đó, tín hiệu đồng bộ được chọn thay đổi trong khoảng thời gian xuất hiện điện áp khoá trên linh kiện và nó dựa vào dạng điện áp nguồn xoay chiều Tín hiệu điều khiển xác định điểm làm việc trên đặc tính điều khiển vàø cho biết độ lớn góc điều khiển Cả hai tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng bộ trên có thể xử lý dựa trên kỹ thuật số hoặc analog
Để đơn giản, ta nêu ví dụ điều khiển bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha dùng kỹ thuật analog với tín hiệu đồng bộ dạng răng cưa
Quan hệ giữa tín hiệu đồng bộ răng cưa, điện áp điều khiển và vị trí kích đóng các linh kiện có thể theo dõi trên các hình H2.69
Giả sử sóng điều khiển biến thiên trong giới hạn hai cực trị của sóng đồng bộ răng cưa (-Upm,+Upm) Giá trị góc kích α với đại lượng áp điều khiển dễ dàng xác định theo hệ thức sau đây:
) U 2
u U
(
pm
dk
pm − π
=
Quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu trung bình mạch tia 3 pha điều khiển hoàn toàn với góc điều khiển cho bởi hệ thức:
α π
=
2
6 3 )
(
Trang 2Từ đó,
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
π π
=
α
pm
dk pm
u U cos U 2
6 3 )
(
U
Hàm quan hệ giữa áp chỉnh lưu trung bình, điện áp điều khiển và góc điều khiển có thể biểu diễn lại dưới dạng đồ thị trên hình H2.70
Đặc tính điều khiển Ud(uđk) có dạng phi tuyến, tuy nhiên dạng mạch dễ thực hiện Trong việc khảo sát các hệ thống điều khiển có hiệu chỉnh, đặc tính phi tuyến được tuyến tính hoá (hình H2.70b) Khi đó, bộ chỉnh lưu được xem như mạch khuếch đại công suất với độ khuếch đại cho bởi tỉ số giữa độ biến thiên điện áp chỉnh lưu trung bình và độ biến thiên điện áp điều khiển và được xem như bằng hằng số ở chế độ dòng liên tục
Trang 3Ví dụ 2.26
Bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha mắc vào nguồn xoay chiều ba pha với trị hiệu dụng áp pha U = 220 V , ω = 314 rad/s Góc điều khiển α xác định trên cơ sở áp răng cưa và áp điều khiển Cho biết áp răng cưa thay đổi trong phạm vi -12V +-12V Giả thiết dòng điện qua tải liên tục
a/- Tính độ lớn áp chỉnh lưu trên tải khi áp điều khiển udk = 8 V
b/- Tính độ lớn áp điều khiển khi điện áp chỉnh lưu bằng 200 V
Giải:
Ta có:
2 12
12
π
α
=
−u dk
Từ đó:
2 12
α −u dk .
=
và
π
α
24
12 −
=
dk u
a/-
6 2
12
8 12 V
8
u dk = ⇒ α = − π = π
8 , 222 6 cos 220 2
6 3 cos U 2
6 3
π
= α π
=
220 6 3
220 2 U 6 3
U 2 cosα = π d = π =
⇒ α = 0,682 rad
Từ đó: u dk 12 24 . 0 , 682 =6 , 789 V
π
−
=
Ví dụ 2.27
Bộ chỉnh lưu mạch tia có thể xem như bộ khuếch đại với tín hiệu đầu vào là điện áp điều khiển udk và đầu ra là điện áp chỉnh lưu trung bình Cho điện áp xoay chiều U = 220V; điện áp xung răng cưa thay đổi từ -12V đến +12V
a/- Tính hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng tải liên tục phụ thuộc vào udk
b/- Tuyến tính hóa đặc tính điều khiển Ud(uđk), xác định hệ số khuếch đại gần đúng
c/- Thiết lập hàm truyền của bộ chỉnh lưu, giả thiết thời gian trễ của đáp ứng được chọn bằng 1/2 chu kỳ xung áp chỉnh lưu
Giải:
a/- Hệ số khuếch đại
Trang 4(− α) π
=
∂α
∂
α
∂α
∂
=
sin U 2
6 3 U
du
d U
k
d
dk d
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
= α
=
⇒
π
−
=
α
2
12
u 12 sin U 12
2 sin
U 12
2 k
24 du
d
dk dk
Hệ số khuếch đại lớn nhất khi α = π
2[rad] tương ứng với udk = 0 [V]
b/- Hệ số khuếch đại của đặc tính được tuyến tính hóa:
U 2
6 3 U
U u
u
U U
u
U
k
dkm
0 dkm
dkm
min d max d dk
−
−
−
=
∆
∆
=
′
c/- Thời gian trễ p T p . , 0 , 0033 [s]
3
02 0 2
1 2
1
=
=
=
τ Hàm truyền của bộ chỉnh lưu ( ) s s
e e
k s
44
21 , ,
Ở tần số thấp s.τp ≈ 0 nên áp dụng phân tích chuỗi Mac Laurin tại điểm
0, ta có:
p
s
s
e p
τ
τ
+
≈
−
1 1
Từ đó ( )
0033 0 1
44 21
,
s
k s F
p = + +
= τ
Ví dụ 2.28
Cho động cơ một chiều kích từ độc lập với các tham số như sau : α
A 74 I
; 54 , 0 R
; ph / v 1000 n
; A 37 I
; V 220
Vận tốc động cơ được điều khiển theo phương pháp điều khiển điện áp phần ứng thông qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hòan tòan Nguồn kích từ không đổi bằng định mức Bộ chỉnh lưu được mắc trực tiếp vào nguồn điện xoay chiều 1 pha với trị hiệu dụng áp pha bằng 300V, tần số lưới bằng 50Hz
Tính góc kích α của bộ chỉnh lưu để động cơ có thể làm việc ở chế độ định mức
a Tìm hàm truyền của bộ chỉnh lưu trên cho biết các tín hiệu sóng đồng bộ thay đổi giữa –10 và 0 V có dạng như hình vẽ H2.71
Trang 5b Tìm độ lớn điện áp điều khiển để động cơ có thể chạy ở vận tốc định mức khi moment động cơ bằng cực đại
GIẢI:
a Ta có áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng ở chế độ định mức:
220 cos
.
300
.
2
2
U cos
.
U
.
2
2
udm
= α π
= α π
4 35 618
0, [ ]⇒ = ,
b Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
) 10 ( 0
) 300 2 2 ( 300 2 2 u
u
U U
K
min dk max dk
min d max d
−
− π
−
− π
=
−
−
=
] [ ,
.
S
4
02
0
=
=
τ
s s
F BCL
, )
(
005 0 1
54 +
=
c Khi moment động cơ cực đại, do kích từ không đổi bằng định mức nên
Iu=Iumax=74A
U umax = R u.I umax+kφdm.ωdm
với Ru=0,54 ; IΩ umax=74A; kφdm.ωdm =U udm−R u.I udm = 220 − 0 , 54 37 = 200 [V
] [
,
U u = 0 54 74 + 200 = 240
3 27 4765
0 240
300 2
2
, ] [ , cos
.
π
Từ đồ thị:
u dk u dk 0,4765 10 1 , 517 [V] u dk 1 , 517 [V]
π π
α
Ví dụ 2.29
Cho động cơ một chiều kích từ độc lập với các tham số như sau :
U udm = 440V; I udm = 18 , 5A n dm = 900v/ ph R u = 2 , 32 Ω ; I umax = 37A
Vận tốc động cơ được điều khiển theo phương pháp điều khiển điện áp phần ứng thông qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hòan tòan Nguồn kích từ không đổi bằng định mức Bộ chỉnh lưu được mắc trực tiếp vào nguồn điện xoay chiều 3 pha với trị hiệu dụng áp pha bằng 220V, tần số lưới bằng 50Hz
Trang 6a Tính góc kích α của bộ chỉnh lưu để động cơ có thể làm việc ở chế độ định mức
b Tìm hàm truyền của bộ chỉnh lưu trên cho biết các tín hiệu sóng đồng bộ có dạng như hình vẽ H2.72
c Tìm độ lớn điện áp điều khiển để động cơ có thể chạy ở vận tốc định mức khi moment động cơ bằng cực đại
GIẢI:
a Ta có áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng ở chế độ định mức:
440 220
6 3 6
3
=
⇒
π
α
π .U.cos U udm . .cos
236 31 54518
0 855
cosα = ⇒α = rad ⇒α =
b Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
10 10
220 6 3 220 6 3
, )
(
) (
min max
min
−
−
−
−
=
−
−
dk dk
d d
BCL
u u
U U
] [ ,
.
S
12
02
0
=
=
s s
F BCL
,
, )
(
00166 0 1
4 51 +
c Khi moment động cơ cực đại, do kích từ không đổi bằng định mức nên
Iu=Iumax=37A
U umax = R u.I umax+kφdm.ωdm
với Ru=2,32 ; IΩ umax=37A; kφdm.ωdm =U udm−R u.I udm = 440 − 2 , 32 18 , 5 = 397 , 08 [V
] [ , ,
,
U u = 2 32 37 + 397 08 = 482 92
209 20 3527
0 92
482 220
6
3 cosα = , ⇒α = , [rad] = ,
Từ đồ thị hình H2.72, ta xác định:
u dk ( u dk) u dk 10 ( 1 ) 10 ( 1 0,3527) 8 , 877 [V]
10
1 10
10
=
−
=
−
=
⇒
−
=
=
−
π π
α π
2.16 BỘ CHỈNH LƯU KÉP
Các dạng bộ chỉnh lưu đã khảo sát chỉ cho phép dòng điện đi qua tải theo một chiều, còn điện áp có chiều thay đổi
Một số tải đòi hỏi đảo chiều dòng điện trong quá trình hoạt động, chẳng hạn quá trình hãm động cơ một chiều hoặc quá trình mạ điện
2.16.1 CÁC CẤU HÌNH MẠCH CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU DÒNG ĐIỆN
a.Dùng công tắc đảo
Để đảo chiều dòng qua tải, với bộ chỉnh lưu đơn, mạch cần trang bị thêm công tắc đảo (hình H2.73)
Trang 7
Khi cần cho dòng điện tải dương id > 0, công tắc thuận T được đóng Ngược lại, khi ta cho ngắt hai công tắc T và đóng công tắc đảo N, dòng điện khép kín qua bộ chỉnh lưu, công tắc N và qua tải theo chiều âm id < 0
Khi cần cho dòng điện tải dương id > 0, công tắc thuận T được đóng Ngược lại, khi ta cho ngắt hai công tắc T và đóng công tắc đảo N, dòng điện khép kín qua bộ chỉnh lưu, công tắc N và qua tải theo chiều âm id < 0
Trang 8Quá trình đảo chiều dòng điện tải- ví dụ từ dương sang âm: trước hết dòng điện được
điều khiển từ giá trị dương về dòng bằng không bằng cách điều chỉnh góc kích bộ chỉnh lưu ở giá trị Khi dòng đạt giá trị bằng không, mạch điều khiển thực hiện mở công tắc thuận T và sau đó đóng công tắc ngược N Bằng quá trình điều khiển góc kích của bộ chỉnh lưu, dòng điện qua tải sẽ đổi dấu và đạt giá trị dòng yêu cầu
max
α
Tương tự cho quá trình đảo chiều dòng điện tải từ âm sang dương
b Dùng bộ chỉnh lưu kép
Bộ chỉnh lưu kép có khả năng điều khiển dòng điện đi qua tải theo cả hai chiều, bao gồm hai bộ chỉnh lưu đơn ghép lại Bộ chỉnh lưu I điều khiển dòng điện qua tải theo chiều dương và bộ chỉnh lưu II điều khiển dòng qua tải theo chiều âm (hình 2.73b)
Các dạng mạch chỉnh lưu kép
Tuỳ theo dạng cấu tạo của các mạch chỉnh lưu, ta phân biệt bộ chỉnh lưu kép dạng đối song (hình H2.74c,d), bộ chỉnh lưu kép dạng chữ thập (hình H2.74a,b) và bộ chỉnh lưu kép dạng chữ H (hình H2.74e)
* Dạng mạch chữ thập: cần hai nguồn điện áp xoay chiều riêng Điểm thuận
lợi của dạng mạch này ở khả năng giới hạn dòng cân bằng cực đại tốt hơn so với dạng mạch đối song
* Dạng mạch đối song: chỉ cần một nguồn điện áp xoay chiều và thích hợp
cho trường hợp điều khiển riêng biệt
* Dạng mạch chữ H: thích hợp cho phương pháp điều khiển riêng biệt và cả
điều khiển đồng thời Cuộn kháng dùng để giới hạn dòng cân bằng mắc giữa các điểm trung tính của hai mạch nguồn 3 pha; đồng thời cuộn kháng này còn tác dụng nắn dòng điện tải So với dạng mạch chữ thập, dòng điện luôn đi qua các cuộn thứ
cấp, do đó làm công suất định mức cho máy biến áp có thể chọn nhỏ hơn