Điện tử công suất 1 2-12 2.4 - BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN Sơ đồ mạch vẽ trên hình H2.8: Bằng cách chia nguồn điện áp u làm 2 nửa bằng nhau, ta tạo nên hệ thống nguồn xoay chiều 2 pha đối xứng u 1 , u 2 () π −=−= == X Uu u X Uu u m m sin sin 22 22 2 1 (2.25) Bài tóan phân tích hoạt động mạch chỉnh lưu cầu một pha được qui đổi thành phân tích hai nhóm mạch chỉnh lưu tia hai pha (hình H2.9). Nhóm anode gồm V 1 ,V 3 . Góc điều khiển α được tính từ thời điểm bắt đầu xuất hiện áp khóa trên linh kiện đến khi đưa xung kích vào cổng điều khiển của nó, ví dụ, đối với V 1 , áp khóa tồn tại khi u 1 - u 2 = u > 0 hay u 1 > 0. Khi V 1 dẫn: u V1 = 0 ;u V3 = u 2 - u 1 = -u u dA = u 1 Khi V 3 dẫn: u V3 = 0 ;u V1 = u 1 - u 2 =u u dA = u 2 Tương tự nhóm cathode gồm V 2 ,V 4 , góc α cho V 4 được tính từ thời điểm: u 2 -u 1 = - u >0, tức u >0 Khi V 4 dẫn : u V4 = 0 ; u V2 = u 1 - u 2 =u ; u dA = u 1 Khi V 2 dẫn : u V2 = 0 ; u V4 = u 2 - u 1 =-u ; u dA = u 2 Điện áp và dòng tải chỉnh lưu u d = u dA - u dK E dt di LiRu d dd ++= Điện tử công suất 1 2-13 Tổng hợp các kết quả phân tích, ta có thể biểu diễn trạng thái hoạt động của mạch chỉnh lưu, ví dụ khi V 1 V 2 đóng bằng hệ phương trình sau : u v1 = 0 ; i v1 = i d u v2 = 0 ; i v2 =i d ; u v3 = - u ; i v3 = 0 (2.26) u V4 = -u ; i V4 = 0 u d = u E dt di L d d ++ .iRu d = . Kết quả phân tích dưới dạng đồ thò được vẽ trên hình H2.10 Các hệ quả: - Nếu dòng qua tải liên tục, điện áp tải có dạng chỉ phụ thuộc vào góc điều khiển α và áp nguồn. Dạng áp chỉnh lưu có hai xung trong một chu kỳ áp nguồn với chu kỳ xung chỉnh lưu bằng 1/2 chu kỳ áp lưới T p = T/2 - Ví dụ khi V 1 dẫn, áp khóa xuất hiện trên V 3 khi u V3 = -u > 0, tức trong nửa chu kỳ âm của áp nguồn. Từ đó suy ra, phạm vi góc điều khiển α là ( 0,π ) - Trò trung bình điện áp chỉnh lưu : () () α π α α πππ α πα α πα α cos cossin. UU U XdXUdXuU d m mdd 22 211 = === ∫∫ ++ (2.27) Với 0 < α < π, điện áp chỉnh lưu trung bình được điều khiển thay đổi trong khoảng: () UUU d π α π 2222 +<<− (2.28) - Mỗi thyristor dẫn điện trong 1/2 chu kỳ áp nguồn, từ đó trò trung bình dòng qua nó bằng 2 d I . Điện áp cực đại xuất hiện trên thyristor bằng biên độ áp nguồn U m Điện tử công suất 1 2-14 Ví dụ 2.4 Cho bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với các tham số sau: áp pha nguồn ac 120V, f=50Hz. Tải R-L mắc nối tiếp R=10 Ω , L=100mH. Góc kích . Xác đònh chế độ dòng điện tải và trò trung bình của nó 0 60= α Giải: Có thể kiểm chứng để thấy rằng dòng điện tải liên tục. Trò trung bình áp tải: VUU d 5460120 2222 0 === cos.cos. π α π 2.5 – CÁC BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN CHỨA DIODE – QUI TẮC PHÂN TÍCH MẠCH BỘ CHỈNH LƯU TỔNG QUÁT Các diode xuất hiện trong bộ chỉnh lưu điều khiển dưới dạng mạch điều khiển bán phần hoặc dạng diode không (diode zero), hoặc trong dạng bộ chỉnh lưu không điều khiển. Các diode dùng thay thyristor trong mạch làm giảm giá thành mạch động lực lẫn mạch điều khiển, hạn chế thành phần xoay chiều của dòng chỉnh lưu, điều này dẫn đến chất lượng dòng điện phẳng hơn. Do đó, tăng hiệu suất cũng như hệ số công suất nguồn điện. Ở một vài dạng mạch, việc đưa thêm diode vào mạch làm tăng khả năng điều khiển góc α trong thực tế đạt đến giá trò lý tưởng (ví dụ α max = π ) Phân tích hoạt động của các bộ chỉnh lưu chứa diode có thể dựa trên ba bước chính 1/ -Tách dạng mạch chỉnh lưu cầu thành hai nhóm mạch tia mắc nối tiếp. Mỗi nhóm mạch tia gồm hai hai nhiều nhánh mạch tia mắc song song. Mỗi nhánh của mạch tia có thể gồm: a. nguồn điện mắc nối tiếp với linh kiện. Linh kiện có thể ở dạng điều khiển (SCR) hoặc không điều khiển (diode) b. linh kiện. Trường hợp này, nguồn điện được giả thiết bằng 0. 2/- Với giả thiết dòng điện qua tải liên tục và bỏ qua tác dụng cảm kháng trong của nguồn, thực hiện phân tích giản đồ đóng ngắt các linh kiện trong từng nhóm mạch tia theo qui tắc phân tích bộ chỉnh lưu mạch tia như sau: Qui tắc 1: Dấu qui ước chọn cho các điện áp pha nguồn có cực dương tiếp xúc với anode linh kiện. Trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét giữa cáùc thyristor được kích đồng thời, diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiện nào mắc vào nguồn áp pha có trò tức thời lớn nhất trong tất cả các pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bò ngắt. (Diode được xem như một dạng đặc biệt của thyristor có chế độ kích đóng liên tục). Qui tắc 2: Trong trường hợp, dấu điện áp pha nguồn ngược lại với qui tắc 1- Trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét, giữa cáùc thyristor được kích đồng thời, diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiện nào mắc vào nguồn áp pha có trò tức thời nhỏ nhất trong tất cả các pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bò ngắt Khi một nhánh của mạch tia chỉ chứa linh kiện thì điện áp nguồn của nhánh đó bằng 0. Một linh kiện đang dẫn điện sẽ bò ngắt khi có linh kiện khác mắc vào nguồn áp tức thời lớn hơn được kích đóng Điện tử công suất 1 2-15 3/ -Kết hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của các nhóm mạch tia để tạo thành giản đồ đóng ngắt linh kiện của bộ chỉnh lưu cầu. Theo giản đồ đóng ngắt đó, ta xác đònh điện áp tải chỉnh lưu cầu và giải phương trình mạch để xác đònh dòng điện tải. - Nếu dòng tải bò gián đoạn thì khoảng có dòng gián đoạn sẽ được thay thế bằng trạng thái không dẫn điện và dạng áp trên tải trong khoảng này được thay bằng sức điện động tồn tại trong mạch (u d =E, nếu có ) hoặc bằng không (u d =0, nếu tải RL), còn trong khoảng thời gian dòng tải liên tục, điện áp tải phụ thuộc vào áp nguồn và góc kích xác giữ nguyên từ kết quả phân tích theo qui tắc. Ví dụ 2.5: áp dụng qui tắc phân tích bộ chỉnh lưu để xác đònh quá trình điện áp và dòng điện cho bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần dạng không đối xứng. Giả thiết dòng tải liên tục. Hướng dẫn: Mạch cầu được phân tích thành hai mạch tia – nhóm anode V 1 V 3 và nhóm cathode V 2 V 4 . Nhóm mạch tia anode V 1 ,V 3 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu qui ước thỏa mãn qui tắc 1. Nhóm cathode gồm V 2 ,V 4 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu nguồn thỏa mãn qui tắc 2. Giản đồ đóng ngắt linh kiện V 1 V 2 V 3 V 4 được suy ra trên hình vẽ H2.12. Tổng hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của hai nhóm mạch tia, ta có giản đồ đóng ngắt cho mạch cầu- xem hình vẽ H2.12. Từ đó, quá trình điện áp và dòng điện được dẫn giải như sau: Trạng thái V 1 V 2 : u d =u Trạng thái V 2 V 3 : u d =0 Trạng thái V 3 V 4 : u d =-u Phương trình dòng điện tải áp dụng cho các trạng thái là: E dt di LiRu d dd ++= Trò trung bình điện áp tải: Điện tử công suất 1 2-16 )cos()cos()( α π α π α +=+= 1 2 1 U U U m d (2.29) Nếu giả thiết dòng qua tải được lọc phẳng i d =I d , ta có: - Trò trung bình dòng qua linh kiện: dSCRAV II . . π απ 2 − = ; dDAV II . . π απ 2 + = (2.30) - Trò hiệu dụng dòng điện qua nguồn: d I.I π α−π = (2.31) Ví dụ 2.6: Áùp dụng qui tắc phân tích bộ chỉnh lưu để xác đònh quá trình điện áp và dòng điện cho bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần dạng đối xứng. Giả thiết dòng tải liên tục. Hướng dẫn: Mạch cầu được phân tích thành hai mạch tia –nhóm anode V 1 V 3 và nhóm cathode V 2 V 4 (hình H2.13). Điện tử công suất 1 2-17 Nhóm mạch tia anode V 1 ,V 3 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu qui ước thỏa mãn qui tắc 1. Nhóm cathode gồm V 2 ,V 4 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu nguồn thỏa mãn qui tắc 2. Giản đồ đóng ngắt linh kiện V 1 V 2 V 3 V 4 được suy ra trên hình H2.14. Tổng hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của hai nhóm mạch tia, ta có giản đồ đóng ngắt cho mạch cầu- xem hình vẽ H2.14. Từ đó, quá trình điện áp và dòng điện được dẫn giải như sau: Trạng thái V 1 V 2 : u d =u Trạng thái V 2 V 3 : u d =0 Trạng thái V 3 V 4 : u d =-u Trạng thái V 4 V 1 : u d =0 Phương trình dòng điện chung cho các khoảng là: E dt di LiRu d dd ++= Trò trung bình điện áp tải: )cos()cos()( α π α π α +=+= 1 2 1 U U U m d (2.32) Nếu giả thiết dòng qua tải lọc phẳng i d =I d , ta có: - Trò trung bình dòng qua linh kiện: . 2 d DAVSCRAV I II == (2.33) -Trò hiệu dụng dòng điện qua nguồn: d I.I π α−π = (2.34) Ví dụ 2.7: p dụng qui tắc phân tích mạch bộ chỉnh lưu, hãy phân tích mạch bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần (hình H2.15). Vẽ hình các đại lượng áp, dòng điện trong mạch. Xác đònh trò trung bình áp tải, xác đònh áp và dòng qua các linh kiện. p dụng với các giá trò sau: trò hiệu dụng áp pha nguồn 220V, f=50Hz. Tải R=1 Ω , E=50V, L . Góc điều khiển ∞→ ][rad 3 π α = Hướng dẫn: Bộ chỉnh lưu được tách ra làm hai nhóm chỉnh lưu tia ba pha: nhóm(V 1 V 3 V 5 ) điều khiển hòan tòan và nhóm còn lại gồm các diode (V 2 V 4 V 6 ) không điều khiển. Điện áp chỉnh lưu có dạng ba xung. Trò trung bình điện áp chỉnh lưu với điều kiện dòng tải liên tục xác đònh theo hệ thức: Điện tử công suất 1 2-18 )cos1( 2 U.63 )(U d α+ π =α Tính tóan điện áp và dòng điện qua linh kiện giống như mạch cầu 3 pha điều khiển hòan tòan. Ví dụ 2.8: p dụng qui tắc phân tích mạch bộ chỉnh lưu, hãy phân tích mạch bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn với hai diode không V 01 và V 02 (hình H2.16). Vẽ hình các đại lượng áp, dòng điện trong mạch. Xác đònh trò trung bình áp tải, xác đònh áp và dòng qua các linh kiện, chú ý biện luận theo giá trò góc kích α . Nhận xét vai trò của các diode không. p dụng với các giá trò sau: trò hiệu dụng áp pha nguồn 220V, f=50Hz. Tải R=10 Ω , E=100V, L → . Góc điều khiển ∞ ][rad 4 π α = Hướng dẫn: Thực hiện tách mạch chỉnh lưu cầu ba pha với hai diode không trên hình H2.16 thành hai nhóm mạch tia ba pha: nhóm mạch tia với diode không V 01 (V 1 V 3 V 5 , V 01 ) và nhóm mạch tia với diode V 02 (V 2 V 4 V 6 V 02 ). Sau đó áp dụng qui tắc 1 và 2 để giải bài tóan trên. Chú ý phạm vi có ảnh hưởng của các diode không. Ví dụ 2.9: Động cơ DC có phần ứng và mạch kích từ được cung cấp điện bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần theo sơ đồ H2.17. Cho biết trò hiệu dụng áp pha nguồn 220V, f=50Hz. Mạch phần ứng: R ư =0,1 Ω , E=100V, L ư ∞→ . Góc điều khiển ][rad 4 π α = . Mạch kích từ: R kt =15 Ω , L kt ∞→ . Phân tích quá trình điện áp và dòng điện qua mạch phần ứng và cuộn kích từ. Xác đònh trò trung bình dòng điện qua phần ứng và cuộn kích từ. Hướng dẫn: bộ chỉnh lưu cung cấp nguồn dc cho phần ứng và cuộn kích từ độc lập. Bằng cách biến đổi đơn giản dễ thấy rằng nguồn cấp cho mạch kích từ là mạch tia 3 pha không đối xứng (u 1 -u 3 ),(u 2 -u 3 ) và 0. Sau đó, áùp dụng qui tắc phân tích mạch chỉnh lưu tia. Ví dụ 2.10: Điện tử công suất 1 2-19 So sánh hệ số công suất giữa bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển toàn phần và bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần. Cho biết áp nguồn xoay chiều, công suất tải và dòng tải trong hai trường hợp là như nhau U = 220V, P d = 10kW. Dòng tải i d liên tục và phẳng i d = I d = 100A Giải: Công suất tải dạng mạch điều khiển toàn phần dtptpdtpdtpd IUIUP α π cos . 22 == và mạch điều khiển bán phần dbp bp dbpdbpd IUIUP . cos . 2 1 22 α π + == Công suất biểu kiến của nguồn trong hai trường hợp: dbp bp bpbp dtptptp I UI.US I.UI.US π α−π == == Từ đó hệ số công suất λ : 4545,0 100.220 000.10 I.U P S P dbp tp tp tp tp ====λ dbp bp d bp bp bp I U P S P π α−π ==λ Xác đònh α bp : 56105,1 00974,01 100.220.2 000.10. 1 I.U.2 P. cos bp d d bp =α⇒ =− π =− π =α 6408,0 100. 561,1 .220 10000 S P bp bp bp = π −π ==λ Từ đó: mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần đạt giá trò hệ số công suất cao hơn. Ví dụ 2.11: Mạch kích từ cho động cơ một chiều được mắc vào bộ chỉnh lưu mạch tia một pha với diode zero (hình H2.18a). Áp nguồn u= 220 2 sin314t [V], tham số mạch kích từ L = 0,1H, R = 10 Ω . Góc điều khiển 2 π α = [rad] Viết phương trình mô tả hoạt động của mạch ở xác lập. Tính U d , I d . Giải : Điện tử công suất 1 2-20 Áp dụng qui tắc tổng quát phân tích bộ chỉnh lưu, với diode được xem như một dạng SCR được kích liên tục và nó có áp nguồn tương ứng bằng 0. Do trong khoảng thời gian diode đóng, phương trình mạch tải : dt di .Li.R0 d d += có nghiệm xác lập i d = 0 khi t → ∞ nên rõ ràng dòng i d liên tục trong khoảng này. Khi V 1 đóng : dt di LiRuu d dd +== Dòng tải i d tăng Kết quả: Trò trung bình áp tải: () ]V[5,49 2 cos1 2 2.220 cos1 2 U dx.xsin.u 2 1 dx.u. 2 1 U m m 2 dd = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π + π =α+ π = π = π = ∫∫ π α α+π α Trò trung bình dòng kích từ. ][, , A R U R EU I dd d 954 10 549 === − = . 1 2-19 So sánh hệ số công suất giữa bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển toàn phần và bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần. Cho biết áp nguồn xoay. mạch cầu 3 pha điều khiển hòan tòan. Ví dụ 2.8: p dụng qui tắc phân tích mạch bộ chỉnh lưu, hãy phân tích mạch bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn