Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
III.3 ĐIỀU KHIỂN PHA ÁP XOAY CHIỀU
1. Khảo sát sơ đồ một pha:
Khi thay thế SCR trong hình III.3.5 bằng triac hay hai SCR song song ngược, dòng tải có thể đão chiều, ta có BBĐ áp xoay chiều, sơ đồ một pha (hình III.3.1). Dạng xung điều khiển cũng có thay đổi: xung rộng thay cho xung hẹp và có ở hai bán kỳ.
a. Tải điện trở:
Mạch hoạt động giống như trường hợp chỉnh lưu một SCR (mục III.2.2.a) nhưng triac là linh kieọn daón ủieọn 2 hai chieàu.
R
u i
o o u
T1 T2
G
T
Hình III.3.1: BBĐ áp xoay chiều một pha dùng triac.
o
i α
wt
0 2
uT γ = π − α
u o
G
i
2π wt
π
u
wt
Tại wt = 0, đóng nguồn. T không dẫn nên dòng tải iO = 0
=> áp ra vO = 0, áp trên TRIAC uT = u – uO = u > 0. Triac phân cực thuận.
Tại wt = α , có dòng kích iG và uT > 0 => T dẫn điện, ta có:
uT = 0, uO = u => iO = u/R có dạng hình sin như điện áp.
Tại wt = π , uO = 0, iO = 0 => T tắt .
Trong bán kỳ âm, dạng áp dòng được lập lai, nhưng với giá trị ngược lại.
- Trị hiệu dụng áp trên tải:
( )
2 2
1 1 1 1
2 2 2
( sin ) sin
OR T T
U u dt π π U t d t U π
α
ω ω π α α
= ∫ = ∫ = − + <III.3.1>
Kiểm tra lại: khi α = 0 , áp ra bằng áp nguồn UOR = U . Vì dòng có cùng dạng với áp ( tải thuần trở), trị hiệu dụng dòng qua tải:
( )
1 1
2sin2
OR OR
U U
I = R = R π π α− + α <III.3.2 >
- Coâng suaát:
( )2 ( )2
1 1 o OR
O T o o T
u U
P u i dt dt
T T R R
= ∫ ⋅ = ∫ = <III.3.3 >
Biểu thức này vẫn giống như trường hợp nguồn hình sin vì do tải thuần trở, dạng dòng áp trên tải vẫn giống nhau.
- HSCS của mạch nhỏ hơn 1 do dòng qua nguồn không hình sin.
Bài tập: Tìm biểu thức tổng quát của HSCS khi điều khiển pha áp AC tải R.
Giải: S = U*IOR PO = R*(IOR)2=(UOR)2/R
=> HSCS = PO / S =UOR / U. HSCS chổ baống 1 khi α = 0.
Vớ dụ: Tỡm gúc ĐKP α để cụng suất ra bằng ẵ cụng suất cực đại (khi đúng trực tiếp vào nguoàn).
Giải: Giải trực tiếp bài toán ngược suy từ phương trình <III.3.1> không thực hiện được, từ
<III.3.2 >, ta có
( )2 ( )2
1 1 1
2 o
O T T MAX T T
u u
P dt P dt
R R
= ∫ = ⋅ = ∫ hay ∫T( )uo 2dt= 12∫T( )u dt2
=> Ta cần cú tớch phõn của bỡnh phương ỏp ra vO bằng ẵ tớch phõn của bỡnh phương ỏp nguồn v , do tính đối xứng của hình sin, suy ra α = 90 O . Có thể kiểm tra lại bằng tính toán theo
<III.3.1 > và <III.3.2 >, trường hợp này áp ra uO có trị hiệu dụng là U / 2.
Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK của Microsoft Excel để giải bài toán ngược của<III.3.1>:
Tính góc kích triac để có hiệu dụng áp ra bằng giá trị mong muốn. Tính bằng số: Hiệu dụng áp ngỏ ra UOR = 110V ứng với nguồn U = 220V hiệu dụng
b. Tải RL:
Với nhận xét là ở mỗi bán kỳ, ta lại có trường hợp chỉnh lưu 1 SCR mục III.2.1, ta có dạng dòng áp tải RL làm việc với BBĐ áp xoay chiều trên hình III.3.2.
Dòng tải tăng từ zero khi triac được kích và kéo dài qua phần áp nguồn đão cực tính: bề rộng xung dòng γ > π − α là nghieọm cuỷa phửụng trỡnh <III.2.4*>
sin(α+γ−φ)=sin(α−φ)⋅e−γω⋅τ
i
α γ
u o o wt
0 2
u
Hình III.3.2: Dạng dòng áp tải RL làm việc với BBĐ áp xoay chieàu.
Trị hiệu dụng áp ra:
( )
2 2
1 1
1 1
2
( 2 sin ) [sin 2 sin 2( )]
oR T T o
U u dt U t d t
U
α γ π
α π
ω ω
γ α α γ
+
= =
= + − +
∫ ∫ <III.3.3>
Biểu thức tính trị hiệu dụng dòng ra có dạng rất phức tạp vì iO có cả hàm sin và hàm mũ, không tiện tính toán bằng giải tích. Trong phụ lục ở cuối chương, phương pháp tính toán bề rộng xung dòng (hay góc dẫn điện của SCR) γ, các đặc trưng của dòng điện trong bộ biến đổi điều khiển pha bằng đồ thị được trình bày.
Các nhận xét:
* Áp ra bằng không khi α = αMAX = 180 O.
* Góc α tối thiểu với tải RL ( phạm vi điều chỉnh góc điều khiển pha tải RL ) bằng φ.
Thực vậy, khi α giảm, góc dẫn γ tăng. Khi γ = 180 O , xung dòng bán kỳ dương nối liền xung dòng của bán kỳ âm (dòng điện là liên tục), áp ra uO đạt cực đại và bằng áp vào u. với áp đặt vào là hình sin, dòng ra hình sin và lệch với áp góc φ là góc tải RL. Vậy góc điều khiển pha cực tiểu để còn điều khiển được áp ra là góc φ tải. Có thể thế vào <III.2.4*> để kiểm tra.
Khi kích các thyristor với xung có α < φ, áp ra không thay đổi. Ta nói là hệ thống không còn điều khiển được khi α < φ.
* Yêu cầu kích xung rộng: Khi điều khiển pha áp xoay chiều, xung kích các thyristor cần là xung rộng để đảm bảo mạch làm việc bình thường khi α < φ. Đối với sơ đồ một pha, người ta thường dùng xung có bề rộng (π − α) như trên hình III.3.2).
Để chứng tỏ sự cần thiết này, ta quan sát hình III.3.3 mô tả quá trình quá độ BBĐ áp xoay chiều một pha tải RL kích bằng xung rộng khi góc ĐKP α < φ. Ở bán kỳ đầu tiên, T1 sẽ dẫn điện ngay khi được kích. Do α < φ, góc dẫn γ của T1 lớn hơn π và đến bán kỳ thứ hai, khi T2 có xung cực cổng, T1 vẫn còn dẫn, nên T2 vẫn bị đặt áp âm và T2 sẽ dẫn điện ngay khi dòng T1 về không ( T1 tắt ). Aùp ra uO vẫn bằng áp nguồn u là giá trị lớn nhất có thể có. Như vậy có thể xem T2 được kích với góc ĐKP lớn hơn giá trị α của mạch điều khiển cung cấp nhưng vẫn lớn hơn φ và góc dẫn γ của nó tiếp tục lớn hơn π . Mọi việc xảy ra tương tự ở các bán kỳ sau. Để ý là dù các góc dẫn thay đổi, chúng luôn lớn hơn π và áp ra uO vẫn bằng áp nguồn v. Quá trình quá độ này sẽ chấm dứt khi dòng trở thành hình sin và lệch pha với áp góc φ.
Hình III.3.3: Quá trình quá độ bộ ĐKP áp xoay chiều một pha.
Cũng có thể chứng tỏ sự cần thiết của xung rộng khi chứng minh mạch hoạt động không bình thường khi thyristor bằng xung hẹp. Thực vậy, T2 sẽ không thể dẫn điện sau khi T1 tắt vì khi đó không còn dòng cực cổng. Ởû bán kỳ thứ 3, T1 lại dẫn và đến bán kỳ thứ 4, T2 cũng không thể làm việc như ta mong muốn.
GHI NHỚ - bộ điều khiển áp AC có thể thay đổi áp ra như một Variac, nhưng với cùng một góc kích thyristor, áp ngỏ ra sẽ thay đổi theo đặc tính tải.
- Khi sử dụng cho tải có tự cảm lớn, cần phải kích SCR bằng xung rộng.
Bài tập: Dùng PSIM hảo sát BBĐ áp xoay chiều ba pha tải thuần trở (hình III.3.4).
a. Trên hình III.3.5a trình bày áp pha ua, áp dây uab tải với dạng xung kích các SCR bằng 120O). Xác định khoảng dẫn của các SCR và ghi chú vào hình vẽ cách tạo ra hai dạng sóng áp ngỏ ra ua, uab . b. Cũng từ hình III.3.5a này, giải thích lý do vì sao ta cần xung kích các SCR kéo dài (từ α dến 7π/6 đối với SCR 1)
Hình III.3.4:
Mạch động lực
Hình III.3.5a:
Dạng xung điều khiển, áp pha tải ua và áp dây tải uab ở α = 120O (trường hợp mỗi lúc chỉ có 2 SCR làm việc).
Hình III.3.5b: Áp pha tải ua và áp dây tải uab ở a
= 40O (trường hợp có lúc 3 SCR làm việc). Áp pha A được vẽ chồng lên ua để dễ so sánh
B b
CNguoàn SCR1 R
Tảic R
SCR2SCR6 a
SCR4 SCR5SCR3 R
A
c. Hình III.3.12b trình bày áp pha ua, áp dây uab tải ở góc điều khiển pha bằng 40O. Tự vẽ các dạng xung kích SCR, xác định khoảng dẫn của các SCR và ghi chú vào hình vẽ cách tạo ra hai dạng sóng áp ngỏ ra ua, uab .
Hướng dẫn: - Nguyên tắc đầy đủ của điều khiển mạch điện xoay chiều là sẽ có tín hiệu điều khiển ở những khoãng thời gian mà ngắt điện có thể làm việc. Từ dạng xung điều khiển có thể kiểm tra phân cực để xác định các SCR dẫn điện, vì là tải R nên SCR sẽ tắt khi dòng (áp) tải bằng 0.
- Có ba trường hợp có thể xảy ra: 2 SCR trên 2 pha dẫn điện cung cấp 1 áp dây cho tải, 3 SCR trên 3 pha làm việc cung cấp nguồn 3 pha cho tải và trường hợp chỉ có 1 SCR có xung điều khiển được phân cực thuận thì nó cũng không thể làm việc được vì dòng qua tải bằng 0.
4. Ứng dụng:
Trong khảo sát lý thuyết, triac và hai SCR song song ngược có cùng hoạt động nhưng trong thực tế, việc sử dụng hai linh kiện trờn cú sự phõn biệt rất rừ ràng. Triac được dựng rụùng rãi trong dân dụng nhưng chỉ dùng cho tải thuần trở hay dòng điện bé (vài chục A) trong công nghiệp. Khi tải có tính cảm kháng cao (động cơ) hay công suất lớn, sơ đồ hai SCR song song ngược luôn được sử dụng.
a. ẹieàu khieồn ON – OFF:
0.1u Out
R
12 43
33
T1T2
ẹieàu G
khieồn In
(a) Sơ đồ khối rơ le bán dẫn
(b) Sử dụng opto triac để diều khiển ON-OFF Hình III.3.6: Ứng dụng điều khiển ON – OFF
Thyristor thay thế ngắt điện cơ khí để đóng ngắt tải xoay chiều với nhiều ưu điểm, được gọi là rơ le hay contactor bán dẫn (SSR - solid state relay ).
- Sơ đồ khối của rơ le bán dẫn cho ở hình III.3.6.a: Ngỏ vào của SSL nối bộ điều khiển TRIAC qua bộ cách ly, trên hình là bộ ghép tín hiệu dùng quang học (optron). Khi diod phát quang của optron có dòng, transistor ngỏ ra sẽ bảo hòa, tác động lên mạch điều khiển cung cấp dòng kích cho TRIAC.
Ưu điểm: SSR không tạo ra tia lửa điện khi đóng ngắt, số lần và tần số đóng ngắt cho phép rất cao, công suất điều khiển rất bé - có thể tác động trực tiếp từ mạch vi điện tử, có thể tích hợp với các bộ điều khiển điện tử khác để được nhiều tính năng mới.
Nhược điểm: khả năng quá tải kém, hỏng không phục hồi được, nhạy với nhiễu, nhiệt … Rơ le, contactor bán dẫn thường được dùng thay thế rơ le, contactor cơ khí khi cần số lần đóng ngắt lớn, mạch cấp điện cho biến áp máy hàn điện trở (hàn tiếp xúc), điều khiển lò điện hay cần tác động nhanh (như ổn áp xoay chiều hay UPS) …
QUAN SÁT - Opto triac là phần tử điều khiển triac công suất bé (vài kw) rất hiệu quả.
b. BBĐ áp xoay chiều:
BBĐ áp xoay chiều có các đặc điểm chung của các thiết bị bán dẫn công suất. Ưu điểm là
hiệu suất cao, kích thước bé, sẵn sàng cho điều khiển tự động… và nhược điểm là áp ra không lý kém. Ta có thể dùng BBĐ áp xoay chiều để chỉnh độ sáng đèn có tim, trong các bộ nguồn công nghiệp và trong điều khiển động cơ.
Tải
Tải
TRIAC A
T1 T2
G
Nguoàn
Tải
TRIAC B
T1 T2
G
TRIAC C
T1 T2
G
T5
T6
R L
L
L
N guoàn
T1
Tải
T3
T2 R
R T4
(a) dùng ba sơ đồ một pha (b) sơ đô điều khiển ba pha.
Hình III.3.7: BBĐ áp xoay chiều ba pha
GHI NHỚ - bộ điều khiển áp AC có nhiều ứng dụng hiệu quả trong thiết bị gia dụng, còn trong công nghiệp thường được dùng cho khởi động động cơ AC.