Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA Chỉnh lưu, BBĐ điện xoay chiều chiều, xuất từ lâu, bắt đầu sơ đồ sử dụng đèn hai cực, diod oxit kim loại đến linh kiện bán dẫn Ngày chỉnh lưu phổ biến, mà điện phân phối dạng áp xoay chiều nhiều tải sử dụng điện chiều Từ xuất linh kiện chỉnh lưu có điều khiển (thyratron hay SCR), ta có điều khiển pha phương pháp thay đổi điện áp ngỏ cách cung cấp cho tải phần chu kỳ hình sin Vì thế, chương III dành cho khảo sát biến đổi sử dụng nguyên lý điều khiển pha, sơ đồ có ngỏ vào điện lưới xoay chiều, sử dụng điều khiển pha để thay đổi áp ngỏ ra, bao gồm chỉnh lưu điều khiển pha biến đổi áp xoay chiều Bộ chỉnh lưu dùng diod xem trường hợp riêng chỉnh lưu điều khiển pha, áp không đổi, ứng với góc điểu khiển pha III.1 CHỈNH LƯU DIOD (KHÔNG ĐIỀU KHIỂN): Như ta nhận xét, chỉnh lưu diod trường hợp riêng sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha Vì vậy, mục ta khảo sát chỉnh lưu diod pha mở đầu Như giới thiệu chương 1, thông số đặc trưng (và mong muốn) điện áp ngỏ chỉnh lưu giá trò trung bình, thành phần chiều điện áp Giá trò hiệu dụng ý ta quan tâm đến phát nhiệt điện trở tính toán sóng hài bậc cao dùng để đánh giá mức độ không lý tưởng dạng điện áp Các sơ đồ chỉnh lưu phân loại theo số xung áp chu kỳ lưới Khảo sát chỉnh lưu hai xung: Còn gọi chỉnh lưu toàn sóng hay hai chu kỳ, bao gồm sơ đồ cầu pha sơ đồ pha có điểm a Hoạt động tải R: iS io uo wt u 2π π (a) (b) u U2 D1 Hình III.1.1 Sơ đồ cầu pha (a) sơ đồ pha có điểm (c) (b) dạng sóng dòng, áp tải trở (c) Trong sơ đồ cầu với tải trở D1, D4 phân cực thuận dẫn điện bán kỳ dương nguồn u D2, D3 có hoạt động tương tự bán kỳ âm để cung cấp dòng áp chiều ( >0) cho tải Vì biến áp có điểm có hai ngỏ ngược pha thứ cấp (e – e), luôn có diod dẫn điện tải R hai sơ đồ có dạng áp hình III.1.1.c Gọi áp nguồn u = U sin wt với U , ω : trò số hiệu dụng tần số góc áp nguồn u ¾ Trò trung bình Uo áp uo: 1 2π π 2 2U sin wt ⋅ dwt = U o = ∫ uo dt = u dt = U o ∫ ∫ 0 T π π 2π T Với tải trở, ta có quan hệ uo = io R với io dòng ngỏ => io = uo/R suy dòng, áp ngỏ có dạng trung bình dòng ngỏ Io = Uo/R ¾ Trò hiệu dụng dòng tải : U ⎛u⎞ dwt = ⎜ ⎟ ∫0 ∫ ∫ 0 π π ⎝ R⎠ R với U trò hiệu dụng áp nguồn Trò hiệu dụng dòng tải trò hiệu dụng IS dòng qua nguồn tải R Có thể đoán trước điều để ý chỉnh lưu làm đổi chiều (cực tính) dòng nguồn xoay chiều thành chiều cung cấp cho tải IoR = 2π 2π io2 dwt = π io2 dwt = ¾ Công suất tiêu thụ tải R Po = R.I oR π U2 = giống nối trực tiếp vào lưới điện, R tương ứng hệ số công suất BBĐ Nếu ta lấy công suất chiều PDC làm công suất hữu dụng PDC = U O IO < Po Lúc ta bỏ qua tác dụng nhiệt sóng hài điện áp ngỏ Áp khóa cực đại diod: Để chọn đònh mức áp cho diod, ta cần xác đònh điện áp khóa cực đại mà diod phải chòu làm việc Xét diod nối chung anod (hay catod), diod nhóm dẫn điện, diod lại nhóm bò đặt vào điện áp dây pha diod dẫn pha Trong trường hợp sơ đồ cầu, D1 dẫn, D2 bò phân cực ngược áp lưới, áp ngược cực đại diod trò số đỉnh áp lưới U Với sơ đồ biến áp có điểm (hình III.1.1.b), biến áp có hai cuộn thứ cấp đảo pha, áp ngược đặt vào chỉnh lưu tăng gấp đôi Thật vậy, D1 dẫn, áp đặt vào D2 là: uD2 = − e − e = − 2.e (qui ước áp SCR hay Diod tính từ A qua K) GHi NHỚ - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi hướng (nắn) dòng nguồn xoay chiều thành dòng chiều qua tải, suy mạch pha, hiệu dụng dòng nguồn tải có trò số b Hoạt động tải RL: Mạch điện khảo sát sơ đồ hình III.1.1.a hay III.1.1.b với tải RL thay vào vò trí R Tại gốc tọa độ wt = 0, áp nguồn u > làm D1, D4 dẫn điện Dòng tải tăng lên từ giá trò không khác với tải R, dòng chưa không wt = π Ở bán kỳ kế, D2, D3 dẫn điện phân cực thuận với giá trò dòng ban đầu khác không Sau số chu kỳ, mạch điện đạt chế độ tựa xác lập: dòng qua mạch thay đổi có chu kỳ, π Để khảo sát chu kỳ tựa xác lập, ta lấy lại gốc tọa độ phương trình mạch điện: uo = u = 2U sin wt = R.io + L di giải ra: io = dt điều kiện đầu : iO(0) = I1 2U ωL L −t sin ( wt − φ ) + I1e τ với φ = tg −1 τ = Z R R chuong chinh luuA.doc Page of 55 Khi wt = π , dòng điện trở lại giá trò ban đầu I1 để lập lại xung dòng cho bán kỳ mới: 2U −π sin (π − φ ) + I1e ωτ = I1 io = Z Hình III.1.2 (a) áp dòng chỉnh lưu hai xung tải RL (b) dạng dòng chu kỳ tựa xác lập Giải phương trình này, ta I1 biểu thức cho dạng dòng io Biểu thức tương đối phức tạp tích phân để tính trò trung bình dòng qua tải I o = π i dwt π o ∫ không dễ dàng Trong thực tế, người ta thường tính giá trò trung bình dòng nguyên lý xếp chồng xét tác dụng thành phần chiều áp : IO = UO/R , có dạng L tác dụng thành phần chiều điện áp Giống phân tích phần tính giá trò trung bình, việc tính hiệu dụng dòng tải nguồn tốn nhiều công sức, tích phân trực tiếp hay dùng nguyên lý xếp chồng Trong thực tế, người ta xét trường hợp L vô lớn để độ nhấp nhô dòng tải không đáng kể (trường hợp dòng phẳng) mục Ví dụ: Tính dòng qua mạch chỉnh lưu cầu diod tải R = 10 ohm, áp nguồn 12 V (hiệu dụng) Trò trung bình áp uo Uo = 12 ⋅ 2π = 12 ⋅ 0.9 = 10.8 v , Trò trung bình dòng ra: D1, D4 IO = U O R = 10.8 /10 = 1.08 A wt D2, D3 π Bài tập III.1.1: Tính HSCS BBĐ dòng tải phẳng, IO Khi L vô lớn, nhấp nhô dòng không đáng kể, ta có dòng phẳng - Công suất tải tiêu thụ công suất nguồn cung cấp PO = UO.IO io = Io 2π u Dòng qua nguồn i Io Io Hình BT III.1.1 Khảo sát chỉnh lưu xung tải dòng phẳng, - Hiệu dụng dòng tải IR, nguồn INR liên tục IO , công suất biểu kiến S = U.IO 2 - Vậy HSCS = π QUAN SÁT - cuộn dây nối tiếp mạch tải làm cho dòng tải phẳng nên thường gọi cuộn kháng san chuong chinh luuA.doc Page of 55 c Hoạt động tải RE: ( hình III.1.3 ) Ngược lại với tải RL có khuynh hướng kéo dài xung dòng điện, tải có sức phản điện làm cho xung dòng thu hẹp Thật vậy, từ sơ đồ mạch điện hình III.1.3 nhận xét diod dẫn điện áp nguồn u lớn sức phản điện E tải Gọi δ góc để diod bắt đầu dẫn điện: Khi wt = δ u = E ⇔ E = 2U sin δ ⇒ δ = sin −1 ( E U ) Khi diod dẫn điện, uo = u = R.io + E ⇒ io = ( u − E ) / R với u = 2U sin wt Dạng dòng phần có tô hình III.1.3 Khi iO = wt = π − δ tính đối xứng hình sin Hình III.1.3 Chỉnh lưu diod xung, tải RE Khi diod tắt hay iO = , uO = E Từ hình III.1.3 biểu thức tính trung bình áp ra: δ +π π −δ δ uo dwt = π1 ⎡ ∫ ⎢⎣ δ δ +π E.dwt ⎤ ⎥⎦ π π −δ u − E biểu thức tính trung bình dòng ra: Io = ∫ io dwt = ∫ dwt π π δ R IO tính theo nguyên lý xếp chồng xét mạch tương đương mạch IO = (UO – E) /R điện chiều: U o = π1 ∫ 2U sin wt.dwt + ∫ π −δ Để tính toán công suất phát nhiệt điện trở R cần tính toán giá trò hiệu dụng IOR dòng điện ngỏ iO: IOR = π ∫ π io2 dwt = π π −δ ∫δ ( u− E R ) dwt Và công suất tiêu thụ điện trở R Po = R.IOR QUAN SÁT - Chỉ sức phản điện mạch tải E lớn biên độ áp nguồn dòng tải không d Hoạt động tải có tụ điện: ( hình III.1.4 ) Hình III.1.4: Mạch động lực dạng dòng, áp chỉnh lưu cầu có điện dung ngỏ (khi cho sụt áp diod không) Để có áp phẳng ngỏ ra, người ta sử dụng mạch lọc có tụ điện phần tử hình chuong chinh luuA.doc Page of 55 II.1.4 Tụ điện tích trữ lượng dạng điện áp, nạp lượng áp nguồn chỉnh lưu cao áp ngỏ ra: u > uC Phương trình dòng diod dẫn điện: iin = C duC du =C , với u = U sin wt dt dt với u áp nguồn hình sin, iin có giá trò lớn phụ thuộc vào giá trò C du/dt lúc Dòng iin giảm không tụ điện cung cấp lượng cho tải áp nguồn chỉnh lưu thấp áp tụ u < uC Theo III.1.7, nối trực tiếp tụ điện ngỏ chỉnh lưu dòng nạp tụ iin có dạng xung với biên độ lớn làm hỏng diod, gây sụt áp lưới điện Điều hạn chế phương pháp sau (hình III.1.5): - Khi chỉnh lưu sử dụng biến áp giảm áp công suất bé, tổng trở biến áp đủ để hạn dòng, không cần phần tử phụ khác (a) - Mạch lọc dùng LC thay C (b) Tự cảm tác dụng hạn dòng nạp tụ góp phần vào làm phẳng áp ngỏ ra, cải thiện dạng dòng ngỏ vào, dùng cần chất lượng cao - Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới pha công suất nhỏ, người ta hạn dòng qua nguồn diod điện trở hay tốt hơn, varistor có điện trở tăng nhanh theo tăng dòng qua (c) - Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới công suất trung bình hay lớn, thay dùng tự cảm hạn dòng nạp tụ, người ta nối tiếp điện trở có trò số lớn công suất bé lúc khởi đầu, sau ngắn mạch lại khóa K trước cho mạch hoạt động (d) Phương pháp kinh tế sử dụng cuộn dây VARISTOR v v T C v C i in i in v L C R v C (a) R C v C (b) R (c) Hình III.1.5: Các sơ đồ thực tế Phương trình mạch điện có R hạn dòng là: uC = R(−iC ) = − R C duC dt K v i in R với giá trò ban đầu áp tụ trò cực đại uC = uCmax C Khi C có giá trò lớn, vC xem tăng, giảm theo đường thẳng dạng sóng hình III.1.6a v C R (d) GHi NHỚ - Cần lưu ý biện pháp hạn dòng nạp tụ điện ngỏ chỉnh lưu để tránh làm hỏng diod Tính toán gần áp chỉnh lưu diod ngỏ có tụ điện: Dạng áp nguồn chỉnh lưu thực tế, tụ điện nạp qua tổng trở (các sơ đồ III.1.5a b c) có dạng vC hình III.1.6.a Áp phẳng nhờ có sụt áp chuong chinh luuA.doc Page of 55 phần tử nối tiếp này, biên độ dòng nạp tụ điện thấp Việc tính toán xác mạch điện lúc phức tạp, nhờ vào công cụ mô máy tính hay thực nghiệm Khi tính toán mạch công suất nhỏ, người ta thường dùng cách tính gần với giả sử điện dung C lớn hay nguồn có sử dụng mạch ổn áp với dạng áp, dòng hình III.1.6.b Hình III.1.6: (a) Dạng dòng, áp thực tế sơ đồ hình III.1.5a; (b) Dạng áp tính toán sơ đồ hình III.1.5a Khi dòng tải xem không đổi có trò số IO = UO/R với UO áp trung bình ngỏ Suy áp tụ điện suy giảm tuyến tính với độ dốc – IO/C Nếu ta cho áp tụ nạp đến đỉnh hình sin chỉnh lưu thời gian tụ xả Δ t = T/2 (T chu kỳ điện lưới, 20 ms lưới điện 50 Hz), ta có dạng sóng tính toán hình III.1.6.b I Δt Nhấp nhô áp tụ điện C bằng: ΔU C = o (giá trò lớn thực tế) C Suy trung bình áp tụ điện C là: U C = U − ΔU D − 12 ΔU C với U trò hiệu dụng áp nguồn , ΔUD sụt áp qua diod GHi NHỚ Khi nguồn làm việc không tải, trò trung bình áp ngỏ tiến đến giá trò đỉnh hình sin chỉnh lưu U Khi tải đònh mức, trò trung bình VC bé giá trò tính theo sụt áp tổng trở nguồn Tính toán điện áp cấp điện tuyến tính: Để cung cấp nguồn chiều cho mạch đo lường điều khiển, người ta cần áp chiều phẳng có giá trò không đổi Có thể sử dụng nguồn xung (chương IV) với nhiều ưu điểm hay đơn giản hơn, dùng chỉnh lưu diod có lọc tụ điện ngỏ mạch ổn áp tuyến tính Hình III.1.8 cho ta sơ đồ cấp điện chiều ±Vo có ổn áp tuyến tính dùng vi mạch họ LM78xx (áp dương) LM79xx (áp âm) Lưu ý vi mạch ổn áp cần tản nhiệt dòng tải > 0.1A ngỏ nên có tụ hóa (C2 ≈ 100 uF) tụ không cực tính (C3 ≈ 0.1 uF) để chống dao động đảm bảo tải không bò nhiễu làm việc chế độ xung 78xx e C1 v -e C1 C2 79xx C2 C3 C3 V o -V o Hình III.1.7: Dạng áp mạch ổn áp áp nguồn Hình III.1.8: Bộ ổn áp tuyến tính dùng vi mạch họ 78xx thấp, không đủ cho mạch hoạt động Để ổn áp tuyến tính hoạt động bình thường, sụt áp ΔU qua cần có giá trò tối thiểu (thường chọn ΔU ≥ 3V ), áp ngỏ UO tính theo áp vào U sau theo hình III.1.6b: chuong chinh luuA.doc Page of 55 U o = U − ΔU D − ΔU C − ΔU Nếu áp nguồn U không đủ, sụt áp ΔU = (U − ΔU D − ΔU C ) − U o < ΔU giá trò tối thiểu để vi mạch họat động bình thường, ngỏ mạch ổn áp không phẳng (hình III.1.7) Trong tính toán này, ta không lưu ý đến sụt áp biến áp có tải, từ 10 15% biến áp công suất bé Ví dụ: tính áp thứ cấp cho nguồn ổn áp 5V/ 0.5A Io Δt 0.5i0.01 = = 1.14 volt Sử dụng diod C 2200i10−6 cầu, ΔUD = 2volt, lấy ΔU = suy U ≥ + + + 1.14 = 11.14 volt hay U ≥ volt, chọn áp thứ cấp biến áp 9VAC để có dự trữ Dùng tụ lọc có điện dung 2200uF => ΔVC = LƯU Ý - Để ổn áp làm việc tốt, cần đảm bảo sụt áp tối thiểu qua vi mạch ổn áp ΔU (khoảng volt) Hiện có họ vi mạch ổn áp với ΔU thấp, cho phép tạo nguồn ổn áp 3.3V từ nguồn volt (ví dụ LM1117) QUAN SÁT Khi áp bò sụt theo tải, việc tăng điện dung tụ điện lọc nguồn (khi có trò số lớn) thường không hiệu làm tăng sụt áp nguồn Biện pháp dùng tăng áp thứ cấp hay và/hay tăng công suất biến áp nguồn Bộ chỉnh lưu nhiều xung dùng diod: Ở công suât lớn, ta sử dụng nguồn nhiều pha chỉnh lưu nhiều diod Dạng áp gồm nhiều xung chu kỳ lưới, tương ứng với khoảng dẫn diod Như vậy, dạng áp phẳng gần với nguồn chiều lý tưởng chỉnh lưu pha III.2 THYRISTOR: NGẮT ĐIỆN LÀM VIỆC VỚI NGUỒN XOAY CHIỀU: Sự làm việc thyristor với nguồn xoay chiều: Lập mạch điện thí nghiệm hình III.2.1 u áp nguồn hình sin, điều khiển có tác động ON – OFF: cung cấp dòng cực cổng IG đủ lớn để kích khởi triac ON không OFF Kết nhận (hình III.2.2.a): - Khi điều khiển ON: triac dẫn điện dẫn dòng theo hai cực tính Dòng qua tải R có dạng áp nguồn ta có III.2.1 Mạch TRIAC nguồn xoay chiều, tải R R.io = uo = u - Khi điều khiển OFF: linh kiện họ thyristor có khả tự giữ trạng thái dẫn điện nên triac tắt áp nguồn u qua zero Hình III.2.2.a: Dạng áp điều khiển ON – OFF dùng Hình III.2.2.b: Áp điều khiển pha tải trơ TRIAC (a), có đóng ngắt lúc áp qua zero (b) chuong chinh luuA.doc Page of 55 Nhận xét: - Khi điều khiển ON – OFF, linh kiện họ thyristor đóng vai trò ngắt điện chủ động lưới điện xoay chiều, làm việc theo tín hiệu điều khiển cực cổng thay đóng ngắt thụ động (chỉ theo phân cực) diod: + Thyristor dẫn điện điều khiển Sự dẫn điện phụ thuộc vào loại thyristor mà chiều (SCR) hay xoay chiều (triac) + Thyristor ngắt (ngưng dẫn) ta không điều khiển Điều không xảy tức thời transistor, thyristor tắt áp nguồn xoay chiều làm dòng qua không TÓM TẮT - Có thể xem điều khiển ON-OFF, ngắt điên bán dẫn thyristor thay ngắt điện khí để đóng ngắt tải với nhiều ưu điểm Điều khiển pha: Một phương pháp khác phức tạp hơn, cho phép thyristor dẫn điện phần chu kỳ hình sin gọi điều khiển pha (hình III.2.2.b) Thyristor dẫn điện kích tắt dòng qua không cuối bán kỳ Như vậy, phương pháp cho điện áp ngỏ Để điều khiển pha, tín hiệu điều khiển SCR hay triac phải có tần số với lưới điện (để đóng ngắt chu kỳ) góc lệch pha thay đổi Góc lệch pha gọi góc điều khiển pha α − gọi góc thông chậm (angle of retard, delayed angle) Góc điều khiển pha (ĐKP) α tính từ vò trí gốc (còn gọi vò trí α = 0) gọi góc chuyển mạch tự nhiên hay điều khiển Góc chuyển mạch tự nhiên điểm thyristor bắt đầu dẫn điện ta cung cấp dòng cực cổng liên tục, tương ứng với trường hợp thay thyristor diode) tải mạch điện trở Có thể dể dàng thấy α = 0, áp cực đại Một thông số khác sơ đồ điều khiển bề rộng xung kích thyristor phải chọn thích hợp để có phạm vi thay đổi góc ĐKP rộng nhất, từ giá trò áp tối thiểu (thường 0) tương ứng α = αMAX đến áp cực đại α = tải trở Khảo sát chỉnh lưu SCR điều khiển pha: Chỉnh lưu SCR thông dụng việc khảo sát chỉnh lưu SCR lại có ý nghiã lớn sở cho lý luận tính toán sơ đồ phức tạp sau Cùng với việc sử dụng SCR, ta làm quen với sơ đồ phát xung điều khiển ngắt điện, giản đồ thời gian luật điều khiển ngắt điện thể logic hai trạng thái: ON (hay hay High): cho phép ngắt điện hoạt động cách cung cấp tin hiệu điều khiển (dòng cực cổng cho SCR hay dòng cực cho BJT) có biên độ đủ lớn OFF (hay hay Low): ngưng cung cấp tín hiệu điều khiển, hoạt động ngắt điện phụ thuộc vào đặc tính hệ thống lúc Với mạch động lực, hoạt động BBĐ thay đổi theo sơ đồ điều khiển a Khảo sát với tải R: Tín hiệu điều khiển SCR T1 dòng iG có tần số lưới điện, lệnh pha góc α (hình III.2.3.b) wt = SCR T phân cực thuận chưa dẫn điện chưa kích wt = α, SCR dẫn điện: áp uo = u = R.io => dòng tải io dạng hình sin với áp nguồn vâïy io = cuối bán kỳ SCR tắt kích chu kỳ kế chuong chinh luuA.doc Page of 55 i o T1 Điều khiển u o u uo io u α R i G1 (a) wt γ=π−α wt Hình III.2.3: Mạch điện (a) dạng dòng áp chỉnh lưu SCR (b) 2π wt π u U2 Trò trung bình áp ra: 2π UO = ∫ 2π T1 (b) uO dwt = 2π π ∫α u.dwt = U (cos α + 1) 2π Khi α = 0, ta có lại trường hợp chỉnh lưu diod Vì dòng tải io = uo / R , tích phân trực tiếp hay dùng nguyên lý xếp chồng để tính IO = U O / R trung bình dòng tải : Trò số hiệu dụng áp ngỏ ra: U oR = 2π U oR = U ∫ 2π 2π uo2 dwt = 2π π ∫α u dwt = o π ∫α (1 − cos 2wt).dwt = U 2π 2π π π ∫α u dwt = U π ∫α sin [wt − 12 sin 2wt] = U π α 2π wt.dwt (π − α + 12 sin 2α ) Khi α = 0, ta có trò hiệu dụng áp chỉnh lưu diod U / = 0.707U , lớn giá trò trung bình Áp rơi SCR uT không SCR đẫn điện hay áp nguồn u dòng tải không (hình III.2.3): uT = u – R.io GHI NHỚ - Khi điều khiển pha, SCR dẫn điện chậm so với diod vò trí, nhờ ta điều khiển (giảm) áp ngỏ - Với tải R, áp dòng tải có dạng b Khảo sát với tải RL: Khảo sát tương tự trường hợp R Tải RL có thông số: tổng trở tải Z = R + (ωL) góc pha φ = tg −1 wL R Ở wt = α : SCR kích, dẫn điện phân cực thuận, phương trình mạch điện lúc này: uo = uR + uL = u hay di uo = R.io + L o = u = U sin wt dt với điều kiện đầu wt = α , io = chuong chinh luuA.doc Page of 55 i o T1 R u o u L Hình III.2.6: Chỉnh lưu SCR tải RL Dòng tải io có dạng iO = iO1 + iO2 với * iO1 thành phần xác lập, dòng qua mạch với nguồn hình sin u: U io1 = sin(ω t − φ ) Z tổng trở tải Z = R2 + (ω L ) wL R * iO2 thành phần độ, nghiệm phương trình không vế hai: di = R ⋅ io + L ⋅ o dt góc pha tải φ = tg −1 io2 = Ae −t τ với thời τ = L R , Hằng số tích phân A xác đònh từ điều kiện ban đầu −α U sin(α − φ ) + Ae ω ⋅τ suy biểu 0= Z Hình III.2.7: Phân tích thành phấn áp thức dòng điện ngỏ iO sau: ngỏ − (ω t −α ) U 2⎡ ω ⋅τ ⎤ − − − ⋅ sin( ω φ ) sin( α φ ) t e ⎢ ⎥⎦ Z ⎣ Các thành phần dòng điện iO vẽ hình III.2.7ø io = Khi wt = α + γ dòng không: iO = suy sin( α + γ − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e −γ sin( α + γ − φ ) = sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ = hay: −γ ω⋅ τ γ : bề rộng xung điện áp ngỏ (trong trường hợp góc dẫn SCR) Phương trình giải phương pháp số Phụ lục III.1 trình bày cách dùng công cụ GOAL SEEK Excel để giải Từ hình III.2.7, nhận xét góc dẫn γ > π − α: dòng qua SCR tăng lên từ giá trò không không qua bán kỳ âm Hiện tượng giải thích đặc tính tự cảm L chống lại thay đổi dòng điện qua Khi thyristor bắt đầu dẫn, dòng qua di mạch tăng lên từ giá trò không Khi uL = L o > , L nạp lượng sụt áp qua R bé dt chuong chinh luuA.doc Page 10 of 55 chiều tương ứng với góc điều khiển pha α mong muốn - B: tín hiệu ngỏ mạch đồng bộ, tín hiệu tần số lưới, có độ dốc không đổi dấu khoảng α = đến α = π, khoảng thay đổi góc điều khiển pha α Khi K = B, ngỏ so sánh thay đổi trạng thái, đánh dấu thời điểm kích SCR Vậy thay đổi áp K làm thay đổi góc điều khiển pha α tương ứng (hình III.7.3b) θ α u i G α = α max α=0 u ĐB wt U ĐK kích SCR Hình III.7.3.b dạng sóng phát xung điều khiển pha với áp đồng Nguyên lý so sánh thường u dạng cưa ĐB dùng điều khiển tương tự (analog) thông qua tín hiệu điều khiển áp chiều K, nguyên lý làm trễ thích hợp với mạch số (digital) hay sơ đồ điều khiển đơn giản – mà việc làm trễ thực mạch dao động nạp xả chế độ có đồng (trigger) Điều khiển pha dùng đếm: Khi sử dụng vi mạch số, thời gian trễ xác đònh đếm xung – hình III.7.4 Ở thời điểm α = 0, đếm xuống có đặt trước (preset) nạp số N Xung đồng hồ CLK có chu kỳ TCLK đưa vào làm đếm giảm trò số phát xung kích SCR nội dung đếm Giá trò NMAX tương ứng góc αMAX thời gian trễ NMAX TCLK Tín hiệu đặt N Đồng (α = 0) DATA preset DATA = CLK kích SCR Bộ đếm xuống có preset Hình III.7.4 Ta có (a) T đếm xuống, tần số CLK đặt DATA = N (α = 0) DATA = kích SCR t (b) αMAX = w.NMAX TCLK Nếu dùng đếm lên, ta không cần có preset phải có mạch so sánh số đếm với giá trò đặt N đồng reset đếm Mạch phát xung theo nguyên lý trở nên đơn giản sử dụng vi xử lý, dùng phần mềm hay đếm – đònh chuyên dùng để làm trễ Mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha theo nguyên lý so sánh: Nguyên lý so sánh áp dụng rộng rãi hệ thống điều khiển dùng vi mạch tương tự (analog) chuong chinh luuA.doc Page 41 of 55 a Sơ đồ khối: Hình III.7.5 cho ta sơ đồ khối đầy đủ mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha Khối lệch pha góc θ hiệu chỉnh độ lệch pha áp lưới cho mạch khám phá zero cho xung góc α = Tín hiệu zero đồng mạch phát xung theo nguyên lý làm trễ hay kích khởi mạch tạo áp đồng Như ta biết, mạch so sánh xác đònh thời điểm kích SCR K = B Mạch đơn ổn ngõ so sánh xác đònh bề rộng xung kích SCR Pha lưới Xung từ pha khác Lệch pha Khám phá ZERO θ α=0 Mạch phát xung ĐK pha Tạo áp đồng u đb α LOGIC Đơn ổn so sánh K đại & ghép SCR chỉnh lưu k Hình III.7.5 Trong sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha, pha có khối phát xung kích SCR, ngõ chúng đưa vào khối logic để phối hợp, đảm bảo hoạt động sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha Sau mạch lái, gồm khối khuếch đại công suất xung ghép nối vào cực cổng SCR Mạch ghép nối cần thiết phải đảm bảo điều kiện cách ly điện SCR với nhau, SCR mạch điều khiển b Mạch phát xung điều khiển pha dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT): D18 12V _12V R25 10k D22 D20 R30 2k2 R34 3k3 R28 13 R29 10 3k3 R33 14 R32 100k _12V D19 11 Khám phá zero 0.1u C20 DB 10k TL084 U5A 3k3 R27 12 U5D DK U5C 0.1u C21 1k 15k R26 SCR U5B Mạch đơn ổn So sánh Tạo xung đồng Hình III.7.6a Mạch khám phá zero U5A so sánh tín hiệu DB sin lưới chỉnh lưu ngưỡng chiều, cho xung dương DB qua zero [dạng sóng (1) hình III.7.6b] U 5D mạch tích phân để tạo áp đồng b Khi ngỏ U5A cao, U 5D tích phân xuống với thời gần R27*C20 có trò số bé tạo cạnh xuống áp đồng Khi ngỏ U5A thấp, U 5D tích phân lên với thời R32*C20 có trò số lớn cho ta cạnh lên cưa, độ dốc làm việc Diod D18 có anod nối ngỏ vào – KĐTT giữø cho giá trò B khoảng từ –Vγ đến bmax U 5C so sánh dùng KĐTT, cho xung dương [dạng sóng (4)] K ≥ B Cạnh lên ngỏ U5C thời điểm kích SCR U5B so sánh mạch đơn ổn không tự giữ, xác đònh bề rộng xung kích SCR, thường lấy mili giây cho sơ đồ chỉnh lưu Bề rộng thay đổi theo thời C21*R26 mạch vi phân [dạng sóng (3)] Diod D19 không cho ngỏ vào U 5B có giá trò âm, chuong chinh luuA.doc Page 42 of 55 bảo vệ ngỏ vào KĐTT xả nhanh tụ C26, giữ không đổi bề rộng xung suốt khoảng thay đổi α Sơ đồ hình III.7.6a cho xung kích SCR hai bán kỳ[dạng sóng (5)], có thông số phụ thuộc hai tụ điện (C20, C21) hai điện trở (R32, R26); dùng áp chiều để điều khiển góc α cho thấy khả chế tạo vi mạch điều khiển pha Người ta chế tạo vi mạch điều khiển pha có sơ đồ khối tương tự, mạch thay đổi để dùng nguồn, trở tụ thường nối xuống điểm chung để giảm số chân sử dụng Áp đồng dạng cosin khối lệch áp lưới u (1) B K (3) α wt (4) (5) pha: Như trình bày phần nguyên lý, áp đồng mạch phát xung điều khiển pha cần có độ dốc không đổi dấu khoảng α đến α max Hình III.7.6b Như có dạng cưa với (a) độ dốc dương, (b) độ dốc âm (c ) dạng cosin [trên hình III.7.7] Dạng (a) dễ thực có bất lợi K tăng, góc kích α tăng tương ứng áp Uo giảm Dạng (a) (b) có đặc tính ngược lại, khó thực Cả hai áp đồng cưa cho ta góc điều khiển pha α thay đổi tuyến tính với áp điều khiển K Điều làm cho quan (b) hệ trung bình điện áp ngỏ Uo K tuyến tính, quan hệ Uo(α) có hàm sin, cos Đây bất (c) lợi cho hệ thống điều khiển tự động khó hiệu chỉnh hệ thống phi tuyến π 2π π 2π π 2π Hình III.7.7 Đồng cosin cho ta quan hệ α(K) có dạng Arccos, hàm bò khử bỏ dòng qua chỉnh lưu liên tục, khi mà UO(α) có dạng cos (III.4.10) Thực vậy, gọi biện độ hình cosin Bmax, Khi K = B ta có: Khi K = B = Bmax.cos α hay α = cos −1 ( U ĐK U ĐB max ) viết lại U o = U cos α = U ĐK m π U , với U = sin ⋅ U U ĐB max m π Các bất lợi phương pháp kể là: dạng cos (tần số 50Hz) kích cho SCR thay pha đồng cưa (tần số 100Hz), phạm vi thay đổi góc kích hẹp α giảm không áp đồng thường có nguồn gốc lưới nên biên độ không cố đònh dể bò nhiễu … chuong chinh luuA.doc Page 43 of 55 Để tạo hàm cosin, ngøi ta thường lấy áp lưới qua biến áp giảm cho lệch pha Có thể sử dụng mạch lệch pha dùngRC, RC KĐTT, mạch xoay pha biến áp RC hay chọn pha thích hợp Hình III.7.8 cho ta vector áp pha dây lưới điện ba pha Các áp pha dây lưới ba pha có độ lệch pha 30O, 60O, 90O, 120O Có thể chọn thành phần thích hợp để có hàm cosin cho mạch điều khiển pha Hình III.7.8 Ví dụ để kích SCR cho mạch pha, ta cần lệch 90O Từ hình III.7.8, ta nhận xét pha A áp dây BC lệch 90O Một ví dụ khác, sơ đồ ba pha tia (hình III.4.6) SCR T3 pha C, gốc lệch pha α = áp dây CB không Vậy hàm cosin kích SCR T3 đảo pha A (pha – A) Các phương pháp làm lệch pha trình bày ứng dụng vào khối lệch pha sơ đồ khối tổng quát mạch kích SCR điều khiển pha (hình III.7.5) Khối lệch pha cần thiết cho việc sử dụng mạch khám phá zero tìm điểm α = áp lưới không qua zero α = (hình III.7.6) Bài tập: Mạch hình III.7.9 phát xung kích SCR sơ đồ cầu pha, làm việc với pha A Các câu hỏi: a ta cần sử dụng áp đồng lấy từ lưới pha b Vẽ dạng sóng giải thích hoạt động mạch c Áp chân điều khiển ĐK phải thay đổi khoảng để có góc kích < α < 180O Tr in u T4 Kích T1 D8 ĐK Kích T4 u? C1 R3 0.1uF 10k D7 U2 Q7 10k R1 Khuếch đại xung _e C2 0.1uF kích T2, T3 T3 u o Mạch vi phâ n BAX io T2 U1 7 T1 e So sánh 24V hình III.7.9 Mạch phát xung điều khiển pha đồng cosin Mạch phát xung điều khiển pha kích SCR dùng vi mạch: Người ta chế tạo vi mạch điều khiển pha có lõi mạch phát xung điều khiển pha có hoạt động tương tự mạch trình bày mục Các đặc tính khác vi mạch thường sử dụng nguồn cấp điện, ngỏ vào đồng hình sin không chỉnh lưu phát xung kích SCR hai bán kỳ để tăng hiệu Các vi mạch bổ sung mạch tách xung cho hai bán kỳ hình III.7.10 nhằm nâng cao chất lượng mạch điều khiển, cung cấp xung điều khiển cho SCR phân cực thuận Các vi mạch phối hợp để thực sơ đồ kích SCR cho chỉnh lưu cầu ba pha chuong chinh luuA.doc Page 44 of 55 Pha ĐB lưới AC Mạch phát xung ĐK pha O+ TCA785 ĐB O+ ĐK O_ k ĐK 10 O_ 10 Hình III.7.10 BA TCA785 ĐB O+ ĐK O_ U đk CB 10 12 11 13 TCA785 ĐB O+ ĐK O_ kích T1 kích T4 kích T2 kích T5 kích T3 kích T6 Hình III.7.11 Mạch tạo xung kích cầu pha: Hình III.7.11 trình bày sơ dồ nguyên lý mạch tạo xung diều khiển pha cho chỉnh lưu cầu ba pha Xem lại giản đồ xung kích sơ đồ cầu pha, SCR sơ đồ cầu ba pha cần lần phát xung chu kỳ, SCR nhận hai xung: để kích dẫn (xung nó), để đảm bảo có hai SCR dẫn điện (xung SCR liền sau nó) Mạch tạo xung sử dụng ba vi mạch TCA785 hay mạch điện tương đương nhận tín hiệu đồng lưới ĐB, tín hiệu điều khiển ĐK, ngỏ hai xung O+ O_ sơ đồ khối hình III.7.10 Để ý tín hiệu đồng lưới áp dây AC, BA, CB để kích SCR pha A, B, C, dùng mạch lệch pha Các mạch OR cộng logic xung ngỏ phát xung điều khiển pha đưa vào mạch khuếch đại ghép đến cực cổng SCR theo trình tự quy đònh T1 Ỉ T6 Ỉ T2 Ỉ T4 Ỉ T3 Ỉ T5 Ỉ T1 có xung phụ Đây khối LOGIC sơ đồ khối hình III.7.5 Lưu ý việc chọn áp dây cho tín hiệu đồng thứ tự xung kích ngầm đònh thứ tự pha sơ đồ A Ỉ B Ỉ C Ỉ A, thứ tự không thứ tự pha nguồn mạch hoạt động sai, cần hoán đổi lại III.8 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA: Là thiết bò biến đổi lượng điện từ xoay chiều thành chiều, chỉnh lưu sử dụng rộng rãi công nghiệp ngành kỹ thuật khác nguồn điện chiều bên cạnh điện lưới xoay chiều Tuy nhiên, công nghiệp mạng phân phối điện chiều, dù quy mô bé, rấn bất tiện nên tải chiều thường có nguồn riêng thích hợp với Trong công nghiệp, ta quan tâm đến hai nhóm ứng dụng: Truyền động điện động chiều nguồn chiều cho trình công nghệ Trong đa số trường hợp, dù thông số đặc trưng điện áp đại lượng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phụ tải dòng điện Trong động cơ, dòng điện tạo momen chuyển động Ở trình điện hóa, dòng điện đònh số lượng chất lượng sản phẩm phát nhiệt Do đó, chỉnh lưu điều khiển pha sử dụng rộng rãi cần điều áp ngỏ ra, mạch lọc không cần thiết cuộn kháng có lõi thép để san phẳng dòng điện Trong số trường hợp đặc biệt, lọc LC sử dụng Bộ nguồn chiều công nghiệp hệ thống điều khiển động chiều chuong chinh luuA.doc Page 45 of 55 nghiên cứu chương kế III.9 TÓM TẮT CHƯƠNG: Chương ba khảo sát sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha III.1 trình bày chỉnh lưu diod với mục đích làm quen, công thức cho chỉnh lưu diod trường hợp riêng chỉnh lưu điều khiển pha, góc điều khiển pha α = O Các khảo sát chỉnh lưu điều khiển pha chương đơn giản hóa, giới hạn điều kiện lý tưởng: tải R tải dòng liên tục phẳng Một số vấn đề chỉnh lưu thực tế hay liên qua đến thiết kế giới thiệu Các sơ đồ điều khiển pha giới thiệu chi tiết giới hạn số sơ đồ thường gặp Phần ứng dụng giới thiệu có chương riêng cho chúng BÀI TẬP: A Phần chỉnh lưu diod: Để cung cấp dòng chiều cho nam châm điện (hay solenoid) chiều, người ta hay dùng sơ đồ chỉnh lưu diod (bán sóng) có diod phóng điện (hình I.3.3) i o D1 D2 R u o a Hãy thành lập biểu thức tính áp trung bình suy dòng L u (trung bình) qua cuộn dây nam châm điện có R = 100 ohm áp nguồn xoay chiều 220VAC (giá trò hiệu dụng) b Để dòng qua cuộn dây 0.5A, ta phải nối tiếp điện trở bao nhiêu? c Nếu ta gở bỏ diod phóng điện, dòng qua cuộn dây tăng hay giảm, hoạt động nam châm điện bò ảnh hưởng gì? ĐS: 0.99A; 98 ohm; dòng giảm, nhấp nhô nhiều Để giảm công suất mỏ hàn điện trở 220VAC/40W, ta gắn diod 1N4007 (1A/1000V) nối tiếp với Tính triï hiệu dụng áp cung cấp cho mỏ hàn công suất lúc ĐS: 220 / volt; 20W Để tạo áp phẳng công suất nhỏ người ta thường dùng sơ đồ chỉnh lưu pha có sơ đồ nguyên lý hình bên (phía sơ cấp nối Y thay cho Δ) Hãy vẽ cách thực sơ đồ từ nhửng biến áp pha có điểm có sẵn thò trường D5 A ab D1 - ca i o D6 C - bc bc D2 D4 B ca - ab v o R D3 Tính toán mạch nạp accu dùng chỉnh lưu pha, sơ đồ cầu (hình III.1.3a) Áp biến áp giảm áp 12VAC (hiệu dụng), accu dung lượng 20 Ampe.giờ, có sức phản điện 12V điện trở R = 0.2 ohm Giả sử sụt áp qua diod không đáng kể a Khi chưa có nối accu, áp chỉnh lưu đo volt kế DC b Volt kế nối accu vào để nạp đầy, giả sử sức phản điện accu không thay đổi HD: a Uo = 10.8V (áp tải R); c thời gian nạp đầy = số Ampe.giờ/dòng trung bình chuong chinh luuA.doc Page 46 of 55 Để cấp điện cho ampli công suất, ta sử dụng sơ đồ hình bên, sơ đồ biến áp có điểm có lọc dùng tụ điện ngỏ p thứ cấp biến áp T1 có trò hiệu dụng 24 volt, tải hai ngỏ v1 v2 2A Tính nhấp nhô ΔV trò trung bình áp ngỏ ra, biết tụ điện C1, C2 có điện dung 4700 μF v1 D1 T1 nguồn AC v D2 C1 D4 -v C2 D3 v2 HD: v1 v2 ngược dấu; ΔV = 4.26 volt; trò trung bình áp ngỏ 30.37 volt B Phần điều khiển công suất điện áp AC: Hãy vẽ chồng lên hình dạng áp tải R điều khiển ON-OFF với mạch động lực hình đây: T1 T2 TRIAC G e e T Tải R e: Nguồn AC Hình ON OFF ON OFF Hình Nếu TRIAC điều khiển ON-OFF có đóng ngắt áp qua zero áp ngỏ thay đổi Khi sử dụng xung hẹp để kích SCR BBĐ áp AC, dạng áp hai trường hợp: tải trở tải RL HD: tải R: hoạt động bình thường; tải RL: hoạt động bình thường α > φ (góc tải) Cho điều khiển pha áp AC, sơ đồ pha hoạt động với tải cảm L, góc điều khiển α = 120O Tìm phương trình dòng tải iO , tính góc dẫn γ vẽ dạng dòng iO, áp ngỏ uO đồ thò Tính công suất trung bình tải phương pháp tích phân trực tiếp 2π PO = vO iO dwt Giải thích kết 2π ∫0 Giải lại với sơ đồ SCR Mô tả hoạt động mạch α thay đổi từ π đến Nếu tải có thêm R bé nối tiếp (tải RL thay L), áp tải biến đổi (chỉ dùng lý luận mà không giải phương trình) Cho điều khiển pha áp AC, sơ đồ pha hoạt động với tải trở R = 100 ohm, áp nguồn 200 VAC (giá trò hiệu dụng) Tính trò hiệu dụng, công suất tải α = 90O α = 0O Vẽ dạng dòng iO, áp ngỏ vO trường hợp α = 90O Dùng hình vẽ để giải thích công suất tải trường hợp đầu ½ trường hợp sau Hãy sử dụng phương pháp số hay GOAL SEEK Microsoft Excel để tìm góc điều khiển α cho áp hiệu dụng tải 100V chuong chinh luuA.doc L1 Page 47 of 55 L2 Chính Mạch hình bên sơ đồ nguyên lý quạt bàn, động pha dùng tụ điện để tạo lêch pha cuộn dây C Phụ Người ta sử dụng điều khiển pha áp AC để điều khiển tốc độ quạt bàn cách thay đổi áp Hãy lý luận để vẽ dạng áp uO tải góc điều khiển (có thể chọn α = 90O) C Phần chỉnh lưu điều khiển pha: Mạch kích từ máy phát điện sử dụng sơ đồ chỉnh lưu SCR có diod phóng điện (hình vẽ bên) nối vào nguồn 220 VAC Thông số mạch kích từ 10 ohm, 5A Khảo sát hoạt động chỉnh lưu để trả lời câu hỏi sau: a Tính phạm vi thay đổi góc kích α để dòng qua mạch kích từ không vượt giá trò đònh mức b Tính chọn đònh mức áp, dòng SCR, diod i o T1 D2 v v o R L 1a Cuộn kích từ máy phát điện có R = 70 ohm cung cấp từ nguồn 220 VAC, qua chỉnh lưu SCR có diod phóng điện Khảo sát hoạt động chỉnh lưu để trả lời câu hỏi sau: a Tính góc kích α để có dòng qua mạch A b Tính chọn đònh mức áp, dòng SCR, diod Nếu gở bỏ diod phóng điện, dạng dòng, áp tải thay đổi thử hình dung máy phát điện hoạt động ĐS: cos α = - 0.29 => a = 107O; diod phóng điện, dòng trở thành xung, áp giảm, máy phát điện cho áp không ổn đònh V khoá = 220 volt Khảo sát chỉnh lưu pha, sơ đồ biến áp có điểm dùng SCR để nạp accu 12 V, 0.2 ohm Áp thứ cấp biến áp 12 VAC góc điều khiển pha α = 90 O Tính góc dẫn SCR vẽ dạng áp Từ hình vẽ tích phân trò trung bình áp ngỏ tính dòng nạp accu Nếu để ý đến tự cảm tản biến áp, dạng dòng, áp ngỏ thay đổi nào? ĐS: δ = 45O; góc dẫn γ = 45O; Uo = 12.82 V => Io = 0.4A; Khi có L nối tiếp: γ tăng, trò trung bình áp giảm, dòng phẳng Tính trung bình áp Uo chỉnh lưu cầu pha điều khiển pha, dòng tải bắt đầu liên tục góc điều khiển pha α 45O Biết áp nguồn 120 volt Vẽ dạng cho biết áp ngược cực đại đặt vào SCR Giả sử sụt áp qua SCR không đáng kể Nếu tải RL, với R = 100 ohm, tính X L ĐS: Uo = 76.4V; Áp ngược cực đại SCR 169.7 volt φ = 45O => XL = 100 ohm 3a Một chỉnh lưu cầu SCR (điều khiển pha) làm việc với nguồn 220VAC có tải cuộn dây R = X = 10 ohm a Góc kích α tối đa để dòng qua cuộn dây liên tục b Với góc kích câu a: - tính dòng (trung bình) qua SCR lúc - vẽ dạng dòng nguồn tính giá trò hiệu dụng mà không cần phải tích phân c Hãy vẽ dạng áp tích phân trực tiếp để tính trò trung bình áp α = 60O góc chuyển mạch η SCR 15O, giả sử dòng tải liên tục d Nếu mạch có diod phóng điện (diod không): phạm vi thay đổi góc kích α để dòng tải liên tục? tính biểu thức dòng tải iO(t) chu kỳ tựa xác lập 3b Một chỉnh lưu cầu SCR (điều khiển pha) làm việc với nguồn 220VAC, tải cuộn dây có R = X = 10 ohm a0 Tính vẽ dạng áp góc điều khiển pha 120o Tìm phạm vi thay đổi góc kích α để dòng qua cuộn dây liên tục b Với giá trò giới hạn góc kích α câu a: - tính dòng (trung bình) qua SCR lúc chuong chinh luuA.doc Page 48 of 55 - vẽ dạng dòng nguồn tính giá trò hiệu dụng mà không cần phải tích phân c Nếu mạch có diod phóng điện (diod không – diod nối song song với tải RL), tính biểu thức dòng tải iO(t) chu kỳ tựa xác lập góc kích < α < π Một chỉnh lưu cầu SCR (điều khiển pha) làm việc với tải cảm L, góc điều khiển pha α = 120 O Hãy tính biểu thức dòng tải iO sau vẽ dạng dòng, áp tải đồ thò Từ hình vẽ dùng lý luận để tính góc dẫn γ SCR, công suất tiêu thụ tải PO Không cần tính toán, cho biết hệ số công suất chỉnh lưu cho biết tượng xảy góc kích < 90O Cho chỉnh lưu pha hình tia điều khiển pha tải RLE, nguồn 220/380 VAC a Vẽ dạng xung điều khiển góc kích α = 120 o Vẽ dạng áp với tải trở (L = 0, E = 0) Tính trò trung bình áp công suất tải lúc này, cho biết R = 10 ohm Tính hệ số công suất BBĐ b Cũng với thông số câu a tải có thêm sức phản điện E Vẽ dạng dòng áp ngỏ lúc E phải để dòng trung bình qua tải trò trung bình áp ngỏ lúc c Giả sử L tải đủ lớn để dòng tải liên tục - phẳng, cho R = ohm, E = 60 volt Tính góc kích để có dòng tải 30 A Tính dòng trung bình qua SCR, dòng hiệu dụng qua pha nguồn hệ số công suất BBĐ lúc d Giải lại câu c ta mắc thêm diod phóng điện song song ngược với tải Vẽ dạng áp ra, cần khoảng dẫn SCR, Diod phóng điện hình Giải thích nhiệm vụ Diod phóng điện lúc ĐS: a áp trung bình Uo = 20V, áp hiệu dụng UOR = 45.76V=> PO = U OR / R = 209.76W; U OR / R U OR = = 0.12 b iO ≡ E > U sin(α + δ ) = 220 / ; Uo = E 3.I R U 3.U c Uo = 120V; α = 62 o; IR = 17.32A; HSCS = 3.cos α / π = 0.47; d áp có dạng chỉnh lưu tải R, α = 71 o; việc tạo đường phóng điện cho tải có L, diod song song ngược với tải xén phần áp âm làm giảm nhấp nhô dòng, áp cải thiện HSCS HSCS = Cho chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn toàn dùng để nạp accu 240 V, 120 Ah từ nguồn ba pha 380 V (áp dây) Điện trở accu ohm giả sử dòng tải liên tục, phẳng: a Nếu biến giảm áp chỉnh lưu lý tưởng mạch sụt áp, tính áp, dòng (hiệu dụng) cuộn dây biến áp chọn góc kích SCR 30O với dòng nạp bình 12 A (nạp 10 giờ) Tính hệ số công suất chỉnh lưu lúc b Với thông số biến áp tính câu trên, tính lại góc kích SCR tính đến: sụt áp qua biến áp, sụt áp chuyển mạch Biết áp ngắn mạch biến áp 10% (có nghóa sụt áp ngỏ dòng đònh mức 10% áp không tải biến áp) Vẽ sơ đồ biến đổi nạp lượng pin mặt trời 400V DC/100A trở vào lưới điện công nghiệp 380 V ba pha Giả sử điện trở pin ohm, tính thông số điều khiển BBĐ để hoạt động với sức điện động pin thay đổi từ 200 đến 450 volt Cho chỉnh lưu cầu pha điều khiển pha, cấp điện từ nguồn 220/380V qua biến áp ba pha nối Y/Y Tải động (RLE), R =0.2 Ω , L = 0.02 H Giả sử dòng tải liên tục, tính: a Tính tỉ số biến áp k để trung bình áp 240 V góc kích bé ttính toán α = 15 O b Với tỉ số biến áp câu a, tính áp α = 45 O.và α = 90 O c Trong điều kiện câu b, gắn thêm diod phóng điện Df, trò trung bình trở nên chuong chinh luuA.doc Page 49 of 55 d Trong điều kiện câu b, giả sử sóng hài dòng điện cao bậc không, tính hiệu dụng sóng hài dòng α = 15 O, α = 45 O, α = 90 O Trong tính toán không để ý sụt áp chuyển mạch, biến áp qua chỉnh lưu Hướng dẫn: a Áp pha thứ cấp 102.5 V suy k = 0.47; b Uo (45 O) = 169.7 V, Uo (90 O) = 0V c Vẽ dạng áp ra, Df dẫn điện uo ≤ 0, suy Uo(45O) = 169.7 V, U o ( 90 o ) = 2π π ∫π /6 380 sin wt ⋅ dwt > V; d Tính biên độ hài bậc ( f = 300Hz), suy dòng Cho chỉnh lưu cầu pha SCR cung cấp điện cho động chiều kích từ độc lập, nguồn 380 VAC (hiệu dụng áp dây) Cho biết tự cảm nguồn La = 0.1 mH, điện trở mạch phần ứng động R = 0.15 ohm, giả sử sụt áp qua SCR không đáng kể dòng tải chỉnh lưu liên tục – phẳng a Để động có dòng điện 100 A sức điện động E = 300 V, ta cần góc kích α Vẽ dạng dòng, áp pha A đồ thò, từ tính công suất tác dụng, công suất biểu kiến chỉnh lưu b Để hãm chuyển động, momen vàø dòng điện qua động phải đảo chiều Để làm việc này, người ta đổi nối phần ứng để đảo chiều sức điện động E chỉnh lưu làm việc chế độ nghòch lưu Giả sử sức điện động E 300V, tính góc kích α để dòng qua động 100 A Vẽ dạng dòng, áp pha A đồ thò, từ tính công suất tác dụng, công suất biểu kiến chỉnh lưu 10 Cho chỉnh lưu SCR + diod điều khiển pha tải RL a Vẽ mạch động lực dạng xung kích SCR, dạng dòng áp hai trường hợp tải trở (L = 0) tải dòng liên tục với góc điều khiển pha α = 90O Cần thích đầy đủ ghi rõ hình vẽ khoảng dẫn chỉnh lưu (SCR D) b Giả sử L tải đủ lớn để dòng phẳng, tính góc kích α để dòng tải 10 A với điện trở tải R = 10 ohm, cho biết áp nguồn có hiệu dụng Us = 200 V, tần số 50 Hz Tính trò trung bình hiệu dụng dòng điện qua D SCR Vẽ dạng dòng nguồn tính hệ số công suất chỉnh lưu c Hãy kể ứng dụng mạch khảo sát 11 a Vẽ mạch động lực chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ pha điều khiển không hoàn toàn (hổn hợp SCR + diod) Vẽ thích đầy đủ dạng xung kích SCR dạng áp, dòng qua tải với góc kích α = 30O Cho biết tải dòng liên tục, nguồn hình sin: e = V sin wt b Tính trò trung bình áp, dòng ngỏ Cho biết trò số hiệu dụng áp nguồn 220 volt, tần số nguồn 50 Hz, tải R =10 ohm L đủ lớn để dòng tải liên tục - phẳng Vẽ dạng dòng nguồn, tính trò hiệu dụng dòng điện nguồn hệ số công suất chỉnh lưu ĐS: Uo = 184.7V; Io = 18.47A; hiệu dụng nguồn = 16.86A; HSCS = 0.92 chuong chinh luuA.doc Page 50 of 55 12 Thành lập biểu thức tổng quát tính hệ số công suất (HSCS) chỉnh lưu cầu pha điều khiển không hoàn toàn tải dòng liên tục-phẳng Io theo góc kích α Khảo sát hàm số theo α để tìm khoảng thay đổi góc kích α cho HSCS > 0.7 ĐS: HSCS = (1 + cos α ) π (π − α ) Dùng MCAD hay MatLAB để vẽ hàm số HSCS theo α, HSCS cực đại α khoảng 21O Đường không liên tục HSCS sơ đồ điều khiển hoàn toàn: cực đại (HSCS = 0.9) α = 0; HSCS = α = 90O CÂU HỎI: − Hãy trình bày dạng dòng chỉnh lưu điều khiển pha tải RL L thay đổi từ ( tải trở ) đến L vô ( tải dòng liên lục phẳng ) − Vẽ dạng áp chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ pha tải RL góc kích α 60O L thay đổi từ đến L vô Chuyển mạch gì? Tại gọi chỉnh lưu điều khiển pha biến đổi chuyển mạch lưới Phạm vi thay đổi góc điều khiển pha Hướng dẫn: Tải RL, α ∈ [ 0, 180 O ] Khi tải có sức phản điện, phạm vi điều khiển giảm xuống Tác dụng diod phóng điện tải cảm kháng Vẽ dạng xung kích SCR, áp sơ đồ chỉnh lưu điều khiều pha, sơ đồ pha cầu SCR α = 60O Giải thích yêu cầu cần xung kép, sử dụng dạng xung khác không Trình bày hai nguyên lý để thực sơ đồ kích SCR cho BBĐ điều khiển pha Giải thích tần số nguồn điện có ảnh hưởng đặc tính mạch kích Hãy cho biết ngắn gọn ứng dụng chỉnh lưu chỉnh lưu điều khiển pha đặc điểm chúng Tìm biểu thức hiệu dụng áp chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ tia pha tải R Khi ta cần tính giá trò hiệu dụng này? απ/6: VoR = 2π VoR = 2π α+ 5π ∫ (V α+ π 2π α+ ∫π ( V ) 2 sin wt dwt = V chuong chinh luuA.doc 2π 5π ⎡ ⎤ ⎢⎣wt − sin 2wt⎥⎦ π = V 2π α+ 6 π α+ ) sin wt dwt = V π ∫π (1 − cos 2wt)dwt = V α+ 2π ⎡ 2π ⎤ cos 2α ⎥ ⎢ + ⎣ ⎦ π ⎡ 5π π ⎤ ⎡ ⎤ ⎢⎣wt − sin 2wt⎥⎦ π = V 2π ⎢⎣ − α + sin 2(α + ) ⎥⎦ α+ Page 51 of 55 PHỤ LỤC CHƯƠNG Vi mạch điều khiển pha TCA785 TCA785 vi mạch tương đối đầy đủ họ TCA78x dùng để điều khiển pha sơ đồ pha Vi mạch sử dụng nguồn đơn, dùng linh kiện phụ TCA785 có hai ngỏ Q1 Q2 riêng biệt tải max 250 mA dùng cho điều khiển hai bán kỳ dương âm, kích xung hẹp (chỉnh lưu) rộng (điều khiển áp AC) Vi mạch có nguồn chuẩn 3.1 volt ngỏ vào cấm để phối hợp với mạch điều khiển khác Ngỏ so sánh Z ø nối để tiện dụng Mô tả chân: (lưu ý RAMP signal: tín hiệu hàm dốc, quen gọi cưa) Đất (điểm chung) Ngỏ (đảo) Ngỏ U Ngỏ (đảo) Ngỏ vào đồng lưới Cấm (khóa) Ngỏ Z Áp chuẩn Điện trở chỉnh cưa Điện dungï chỉnh cưa Áp điều khiển Điện dungï chỉnh độ rộng Chọn xung rộng (ngỏ vào) Ngỏ Q1 Ngỏ Q2 Nguồn cấp điện Sơ đồ khối: Sơ đồ khối bao gồm: - Mạch khám phá zero lấy tín hiệu đồng VSYNC (V5) từ lưới, tác động vào ghi đồng áp nguồn qua zero Áp nguồn cấp điện VS qua ổn áp tạo áp chuẩn VREF nguồn dòng I (được điều khiển R9) để nạp tụ C10 Tụ điện C10 xả đầu bán kỳ T68 thành lập áp đồng cưa (Ramp voltage) V10 Áp so sánh với áp điều khiển V11 xác đònh pha kích SCR Khối logic bao gồm mạch tạo bề rộng xung (từ C12), tín hiệu điều khiển cấm (Inhibit) chọn xung rộng/hẹp Long Pulse Commutation để tạo chuong chinh luuA.doc Page 52 of 55 xung ngỏ theo dạng hình Các dạng sóng: V5: Áp đồng lưới V10: Giá trò đỉnh áp cưa V10: Áp đồng cưa V11: Áp điều khiển V10:Trò tối thiểu áp cưa V15: Q2, ngỏ kích SCR V14: Q1: ngỏ kích SCR V15: ngõ Q2 xung rộng (chân 12 nối đẩt) V14: ngõ Q1 xung rộng V2: Q2 đảo (chân 13 nối đất) V4: Q1 đảo V3: QU, áp khám phá zero V7: QZ, xung kích hai bán kỳ Tính tóan linh kiện R, C: - Trò số điện dung tụ điện tạo cưa C10: tối thiểu 400 pF, tối đa 1μF - Áp cưa: V10MAX = VS – V , VS : áp cấp điện V10 (t) = VREF K t với K = 1.1 ± 20%; VREF = 3.1 V R9.C10 Khi tính toán, tần số lưới 50 Hz, lấy t = 10 ms để có V10 = V10MAX - Bề rộng xung kích SCR tính gần tx = 620*C12 (μsec), C12 tính nF Khi kích SCR chỉnh lưu, tx thường chọn khoảng msec cho chỉnh lưu công suất lớn Mạch ứng dụng: Mạch sử dụng TCA785 để làm mạch điều chỉnh độ sáng đèn có tim (light dimmer) TCA785 sử dụng để kích trực tiếp TRIAC Tc từ nguồn điện lưới 220 VAC Cuộn dây L tụ 0.22uF/250VAC tạo thành mạch lọc hạn chế ảnh hưởng lên lưới điện việc đóng ngắt TRIAC tải trở áp không qua zero Vi mạch cấp điện trực tiếp từ lưới qua điện trở 4k7/9W, ổn áp diod ổn áp 15 V (vào chân 16) chuong chinh luuA.doc Page 53 of 55 Tín hiệu đồng lưới lấy trực tiếp qua RSYNC 220k ohm, ngỏ vào bảo vệ hai diod Ngỏ vào cấm nối lên 15 V phép mạch họat động Thông số mạch tạo cưa: C10 = 47 nF (sơ đồ gốc in sai!), R9 biến trở 100k ohm điện trở 22k ohm Tụ C12 = 150 pF ứng với bề rộng xung kích 620*0.15 = 93 μs Hai ngỏ Q1, Q2 nối vào cực cổng TRIAC qua hai diod, tạo thành cổng OR (wired OR) để kích hai bán kỳ Điện trở 150 ohm hạn chế biên độ dòng cực cổng bé 15 / 150 = 0.1 A Để ý tụ 2.2 μF nối chân 11 áp điều khiển nguồn nhằm chống nhiễu tạo khả khởi động mềm (soft start): Udk (góc điều khiển pha α) giảm dần từ giá trò max đến giá trò làm việc đóng điện Dựa vào sơ đồ này, ta vẽ mạch kích SCR cho điều khiển phức tạp hơn, để ý việc nối chung chân VREF giúp vi mạch họat động giống (khi dùng nhiều vi mạch TCA785 điều khiển), cách lấy tín hiệu đồng khối ghép với mạch động lưc chuong chinh luuA.doc Page 54 of 55 Sơ đồ điều khiển pha pha dùng vi mạch TCA785 C1 100 nối BAX kích SCR 15V U1 10K R3 SY NCA GND - Q2 QU - Q1 SY N INH QZ REF VCC Q2 Q1 L C12 IN C10 R9 16 15 14 13 12 11 10 R7 68k TCA785 D1 R1 Q1 D2 ĐK 47n C2 nối BAX kích SCR D3 R2 R4 C3 150p Q2 D4 R5 R6 R8 INH C4 0u1 R11 10K SY NCB nối BAX kích SCR 15V U2 GND - Q2 QU - Q1 SY N INH QZ REF VCC Q2 Q1 L C12 IN C10 R9 16 15 14 13 12 11 10 R15 68k TCA785 Q3 D6 R9 24V T1 D7 R10 kích SCR D5 D8 R12 Q4 47n C5 150p C6 D9 R13 R14 R16 C7 0u1 R19 10K SY NCC 0u1 C10 chuong chinh luuA.doc GND - Q2 QU - Q1 SY N INH QZ REF TCA785 nối BAX kích SCR 15V U3 VCC Q2 Q1 L C12 IN C10 R9 R17 16 15 14 13 12 11 10 R23 68k D10 Q5 nối BAX kích SCR R18 D11 R20 D12 Q6 47n C8 R21 150p C9 D13 R22 R24 Page 55 of 55 [...]... T1, T6 dẫn: uo = uAC SCR T2, T6 dẫn: uo = uBC … Vậy ngỏ ra BBĐ có 6 xung áp dây trong một chu kỳ lưới Có thể sử dụng công thức chỉnh lưu m pha hình tia với m = 6 và các áp dây (hiệu dụng U 3 ) để tính trò trung bình áp ra: Uo = 6 2 π sin π 6 U 3 cos α = 3 6 π U cos α Hay tích phân trực tiếp xung áp ngỏ ra khi T1 và T5 dẫn điện: chuong 3 chinh luuA.doc Page 23 of 55 Uo = 6 2π ∫2π uo dwt = 6 3 π∫ π 6 +α... khiển pha thay nhau dẫn dòng tải π/3 U oR 6 = 2π π π α+ + 6 3 ∫π α+ u2AB dwt = 6 3 π α+ 2π 3 ∫π (U α+ ) 1 π 3 ( + cos 2α ) π 3 2 2 6 sin wt dwt = 3U 3 Khi α = 0 hay bằng π, ta có trò số hiệu dụng áp ra của chỉnh lưu diod - α >π/3: dòng gián đoạn vì áp ra tải R không thể có giá trò âm 6 Uo = 2π 5π 6 ∫ π 6 uAB dwt = +a 3 π π π∫ 3 U 6 sin wt.dwt = +a 3 6 π 3 6 U [ − cos wt]π + a = π π U [cos( + a) + 1]... o 2π π ∫ ∫ 2π 3 2π α + 6 2π ¾ α > π / 6 : Áp lưới về không trước khi kích SCR kế tiếp: 3 2π 3 Uo = 2π Uo = π ∫α +π 6 π ∫α + 6 α uo ⋅ dwt 2π/3 A U 2 sin wt ⋅ dwt 3 2 Uo = U ⎡⎣1 + cos(α + 6 ) ⎤⎦ 2π ¾ α > 5π / 6 : Áp pha tương ứng khi đó bé hơn không, SCR không thể dẫn điện khi được kích, suy ra phạm vi điều chỉnh góc kích SCR khi tải R từ 0 đến 5π / 6 Các SCR thay phiên nhau dẫn dòng... ω ⋅τ ⎤ dwt < III.2 .6> ⎢⎣ ⎥⎦ Hai tích phân này có thể thực hiện được nhưng kết quả không đặc sắc, có thể xem như một bài tập GHI NHỚ - Khi tải có tự cảm, điện áp cảm ứng của nó có thể giúp cho SCR tiếp tục dẫn điện khi áp nguồn âm - Trò trung bình áp ngỏ ra tải R tính theo công thức , giảm khi tải có L vì bề rộng xung áp γ tăng làm áp ngỏ ra có phần âm (hình III.2 .6) Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK... mπ ) U = (b) 6 2 π C1 (c) sin ( 6 ) 100 = 2.34 ⋅100 = 234 v tính < III.4.15 > n = 6 ;α = 60 ⇒ V1 = 48.9 v Hình III.4.9.b cho ta: VC1 (1 / jnwC ) // R = = (1 / jnwC ) // R + jnwL V1 1 (1 − n w LC ) 2 2 2 + (nwL R ) 2 Yêu cầu của đầu bài là biên độ nhấp nhô áp ra ( đỉnh – đỉnh) bằng 10 volt, suy ra trò số hiệu dụng sóng hài cơ bản qua điện dung C là VC1 = 10 /( 2 ⋅ 2 ) = 3.53 v Phương trình trên cho... cầu chất lượng không cao T1 T2 io u o u D4 (a) D2 u o u Df D3 T1 T3 D4 (b) io T1 T2 T3 A io u o B C Df D4 D5 D6 (c) Hình III .6. 1 Hình III .6. 1 trình bày 3 sơ đồ chỉnh lưu cầu hổn hợp thường gặp: một pha và ba pha 2 Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu một pha (hình III .6. 1.a và b) tải RL: Xét sơ đồ hình III .6. 1.a khi có diod phóng điện Df Df thường được sử dụng khi tải là cuộn dây để tạo ra đường phóng cho dòng điện... không phụ thuộc tải và trò trung bình áp ra có dạng GHI NHỚ Ở chỉnh lưu 3 pha hình tia dùng SCR: - Gốc để tính điều khiển pha (α = 0) là wt = θ = π /6 - Tải R: trò trung bình áp ngỏ ra tính theo và , phạm vi điều chỉnh góc α là 0 5π /6 - Tải dòng liên tục (góc dẫn γ = 2π/3): trò trung bình áp ra được tính theo , phạm vi điều chỉnh góc α là 0 π 3 Sơ đồ chỉnh lưu SCR... T1 A B C i A T2 1 v o i c (a) T5 3 2 wt 2π Io R 6 5 4 π T4 1 3 π L i C 2 T3 i a Io 5 2π 1 T6 (b) π 4 4 6 ia 2π wt wt Hình III.5.2 Hình III.5.2.(b) trình bày các dạng dòng điện qua các phần tử của bộ chỉnh lưu cầu ba pha với tải dòng liện tục, phẳng Như đã khảo sát trong các mục trước của chương, mỗi SCR dẫn điện 1/3 chu kỳ (ghi bằng các chỉ số từ 1 – 6) Dòng điện cuộn dây thứ cấp biến áp gồm dòng qua... 0 2 2 π A IO cos wt.dwt sin π 3 = IO 6 π α khi tích phân ¼ dạng sóng, hệ số hiện do tính giá trò hiệu dụng 2 xuất 0 T1 π Io i A T4 2π 6 3 Công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu tiêu thụ từ nguồn AC: PO = 3.U I R1.cos α1 = 3.U IO 6 π cos α Hình III.5.2.c: Dạng dòng và áp pha A vì theo hình III.5.2.c, góc lệnh pha giữa áp và dòng mỗi pha là chuong 3 chinh luuA.doc π 6 −α + π /3 2 =α Page 27 of 55 2 wt PO... = + α + 6 3 dòng ra giống như trường hợp T1 dẫn, nhưng chậm pha 2π/3 Như vậy trong chu kỳ lưới 2 π có 3 xung áp tương ứng với 3 SCR làm việc, chỉ cần tích phân 1 / 3 chu kỳ để tính trò trung bình áp ra Có thể chia làm ba trường hợp: ¾ α < π / 6 : Áp lưới chưa về không trước khi kích SCR kế tiếp, ta có dòng tải liên tục: 3 3 α + 6 + 23π 3 6 Uo = u ⋅ dwt = U 2 sin wt ⋅ dwt = U ⋅ cos α o 2π ... GHI NHỚ Ở chỉnh lưu pha hình tia dùng SCR: - Gốc để tính điều khiển pha (α = 0) wt = θ = π /6 - Tải R: trò trung bình áp ngỏ tính theo , phạm vi điều chỉnh góc α 5π /6 -. .. t−α ) ω ⋅τ ⎤ dwt < III.2 .6> ⎢⎣ ⎥⎦ Hai tích phân thực kết không đặc sắc, xem tập GHI NHỚ - Khi tải có tự cảm, điện áp cảm ứng giúp cho SCR tiếp tục dẫn điện áp nguồn âm - Trò trung bình áp ngỏ... 7π /6 SCR 1) B a Trên hình III.3.5a trình bày áp pha ua, áp dây uab tải với dạng xung kích SCR 120O) Xác đònh khoảng dẫn SCR ghi vào hình vẽ cách tạo hai dạng sóng áp ngỏ ua, uab Nguồn Bài tập: