Đang tải... (xem toàn văn)
Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 148 CHƯƠNG 3 MẠCH BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 1 Giới thiệu chung về mạch biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến.Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đầu ra. Nó được mắc vào nguồn điện áp xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở đầu ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng có thể thay đổi được. Do đó bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng gần giống như máy biến áp điều khiển vô cấp. Nhưng điện áp đáp ứng ở đầu ra thay đổi nhanh và liên tục, tuy nhiên chất lượng điện áp và dòng điện bị ảnh hưởng bởi góc kích mở và tính chất tải. Trong thực tế các bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của các phụ tải như: lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay) điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy sấy)…. Bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong hệ thống bù vô cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện và được sử dụng làm bộ khởi động mềm cho động cơ ba pha. Các bộ xung áp xoay chiều (XAAC) được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao. XAAC thường sử dụng các loại van công suất như: các Thyristor mắc song song ngược, Triac, hay cầu diode và Thyristor để thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở , từ đó thay đổi được giá trị điện áp hiệu dụng trên tải
Trường Đại học SPKT Hưng Yên CHƯƠNG 3.1 Điện tử công suất_ MẠCH BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Giới thiệu chung mạch biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu Nó mắc vào nguồn điện áp xoay chiều dạng sin với tần số trị hiệu dụng không đổi tạo đầu điện áp xoay chiều có tần số trị hiệu dụng thay đổi Do biến đổi điện áp xoay chiều có tính gần giống máy biến áp điều khiển vô cấp Nhưng điện áp đáp ứng đầu thay đổi nhanh liên tục, nhiên chất lượng điện áp dịng điện bị ảnh hưởng góc kích mở tính chất tải Trong thực tế biến đổi điện áp xoay chiều thường sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ phụ tải như: lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động không đồng công suất vừa nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay) điều khiển động vạn (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy sấy)… Bộ biến đổi xoay chiều dùng hệ thống bù vô cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện sử dụng làm khởi động mềm cho động ba pha Các xung áp xoay chiều (XAAC) dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao XAAC thường sử dụng loại van công suất như: Thyristor mắc song song ngược, Triac, hay cầu diode Thyristor để thay đổi giá trị điện áp nửa chu kỳ điện áp lưới theo góc mở , từ thay đổi giá trị điện áp hiệu dụng tải Các XAAC dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều theo phương pháp thay đổi góc mở thường sử dụng theo các sơ đồ sau: c> a> b> Hình 3.1: Các sơ đồ thường sử dụng mạch điện xoay chiều phương pháp điều chỉnh góc mở Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 148 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất_ -Trong sơ đồ hình 3.1-(a) có trể thay thyristor tranzitor, nhiên tổn hao công suất sơ đồ cao nên sử dụng với tải có cơng suất nhỏ Cịn sơ đồ hình 3.1-(b) sử dụng triac thường sử dụng cho tải có cơng suất từ vài trục W đến vài KWvới yêu cầu chất lượng không cao Để đáp ứng công suất lớn chất lượng điện áp tốt ta thường dùng sơ đồ sử dụng thyritstor mắc song song ngược hình 3.1-(c) Ngồi phương pháp biến đổi góc pha người ta sử dụng phương pháp biến đổi tỷ lệ thời gian (Time duty ratio control) Nguyên lý phương pháp thực cách dùng công tắc xoay chiều (satic relay) dóng cắt đồng với thời điểm điện áp lưới qua điểm Zero Khi điện áp hiệu dụng tải xác định: Ut U Trong Tt T Tt khoảng thời gian đóng cơng tắc xoay chiều (Tt T); Tt = mTs T: chu kỳ đóng cắt cơng suất cho tải ( T = nTs) TS: chu kỳ điện áp lưới Hình 3.2: Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch điều áp xoay chiều Diều khiển phương pháp tỷ lệ thời gian Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 149 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 3.2 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều pha sử dụng SCR a> Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh dòng điện xoay chiều pha sử dụng với nhiều sơ đồ khác sử dụng triac, hay phối hợp diode SCR, nhiên để hiểu rõ tính chất nguyên lý sơ đồ ta nghiên cứu mạch điều áp xoay chiều pha dùng thyritstor mắc song song ngược hình 3.3-a Mạch gồm thyristor nối song song ngược với (tương đương với triac) nối tiếp với tải Các sơ đồ khác dùng triac hay cầu diode ta việc thay van vào vị trí thyritstor T1 T1 i1 T2 i2 U~ ic T2 Uc Zt * * Hình 3.3-b Hình 3.3-a Vì thyristor nối song song ngược nên mạch khuếch đại thyristor thường dùng biến áp xung có hai cuộn thứ cấp để cách ly với hình 3.3-b, cách ly dùng phần tử quang b> Nguyên lý làm việc mạch giải thích sau: Giả sử điện áp nguồn xoay chiều có biểu thức sau: u 2U sin t Ở nửa chu kỳ dương điện áp, T1 phân cực thuận, T2 bị phân cực ngược, thời điểm (t = ) khoảng thời gian < t < ta kích xung điều khiển vào cực G1 T1 T1 dẫn có điện áp đặt lên tải dòng qua tải Ở nửa chu kỳ âm điện áp, T2 phân cực thuận, T1 bị phân cực ngược thời điểm (t = + ) khoảng thời gian < t < 2 ta kích Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 150 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ xung điều khiển vào cực G2 T2 T2 dẫn có điện áp đặt lên tải dòng qua tải Như cách điều chỉnh góc mở thyristor, ta điều chỉnh dịng điện qua tải cơng suất tiêu thụ tải Trong mạch điều chỉnh dòng điện xoay chiều pha góc mở tính từ thời điểm có điện áp khơng (t = k) Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 151 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ c> Phân tích dạng sóng biểu thức dịng điện - điện áp tải: Trong mạch điều áp xoay chiều dịng điện tải phụ thuộc vào tính chất tải, để cụ thể ta xét trường hợp sau: *Tải trở: - U Khi van T1 dẫn, có dịng qua van T1 qua tải, dòng điện, điện áp tải xác định theo biểu thức: uc 2U sin t ; ic u R 2U sin t R 2 t Uc (Khi < t < + < t < 2) - Theo nguyên lý làm việc vẽ dạng sóng dịng điện, điện áp mạch 2 t hình 3.4 Từ dạng sóng nhận thấy dịng điện tải khơng sin, có dạng tương tự UT1 sóng điện áp tải - Phân tích dịng điện tải thành sóng 2 t sóng bậc cao Trong sóng dịng điện tải chậm pha sau sóng điện áp ic góc Vì kết luận tải trở mạch tiêu thụ phần công suất phản kháng từ lưới Nếu 2 t bỏ qua thành phần sóng hài bậc cao dạng sóng dịng điện điện áp tải mơ tả hình 3.4 Hình 3.4: Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch XAXC pha với tải R Từ biểu thức điện áp dòng điện ta xác định giá trị dịng điện, điện áp cơng suất mạch sau:-Điện áp hiệu dụng tải Uc ( 2U sin t ) dt U Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 2 2 sin 2 2 152 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 2 2 sin 2 2 Uc U R R -Dòng điện hiệu dụng qua tải : Ic -Công suất tác dụng cấp cho mạch tải: Pc U c I c U 2 2 sin 2 R 2 -Như ta thấy cách thay đổi góc mở từ đến , người ta điều chỉnh công suất tác dụng tải từ giá trị cực đại Pmax U2 đến Pmin R b>Tải hỗn hợp R + L: Với tải R+L nguyên lý làm việc gần giống tải cảm, góc tắt dịng Uc phụ thuộc vào độ lớn điện cảm tải - Theo nguyên lý làm việc klhi t = , ta kích cho thyristor T1 dẫn dịng, có 2 t dịng điện qua tải nên có phương trình điện áp sau: L UT1 dic Ric 2U sin t dt -Giải phương trình có nghiệm : ic 2U sin(t ) Ae Z t tg 2 t ( PT 1) ic Trong đó: Z R X L2 ; ic XL R tg 2 i2 Hằng số tích phân A xác định t sơ kiện ic = 0, t = thay vào (PT1) Hình 3.6: Dạng sóng điện áp dịng ta tìm được: 2U sin( ) e tg A Z điện mạch điều áp xoay chiều pha với tải R + L Thay A vào (PT1) ta biểu thức dịng điện tải có dạng: 2U ic Z t tg sin(t ) sin( )e (PT2) Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 153 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ -Biểu thức khoảng < t < Góc tắt dòng xác định cách thay điều kiện t = , cho ic = vào (PT2) Như biểu thức ic viết: 2U tg ic sin( ) sin( )e Z - Để đảm bảo thyristor T1 phải khóa lại trước cho xung điều khiển T2 mở góc < + Ta nhận thấy < dịng điện tải gián đoạn cịn dịng điện tải liên tục, khơng thay đổi dịng điện điện áp tải Như để đảm bảo điều chỉnh dòng điện điện áp tải góc kích mở thyritstor nằm khoảng 3.3 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Trong thực tế biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thường dùng để điều khiển lò nhiệt, ttốc độ động có cơng suất nhỏ hay khởi động động Về nguyên tắc điều khiển biểu thức xây dựng mạch pha Khi sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha cần lưu ý số đặc điểm sau: - Các sơ đồ điều chỉnh dịng điện xoay chiều ba pha nói chung đơn giản, có hiệu khơng cao qua trình điều chỉnh dịng điện, điện áp xoay chiều Tuy nhiên dạng điện áp, dòng điện phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển tính chất tải, dạng điện áp không sin -Phù hợp với ứng dụng yêu cầu công suất vừa nhỏ, tẩi trở dạng điện áp khơng u cầu khắt khe -Với cơng suất lớn áp dụng trường hợp dải điều chỉnh hẹp, trình điều chỉnh diễn thời gian ngắn ví dụ khởi động động -Trong trường hợp phải có biện pháp tránh ảnh hưởng nhiễu ngồi lưới điện, dịng điện khơng sin, ví dụ ta phải lắp thêm lọc đầu vào Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 154 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất_ -Có thể cải thiện đáng kể đặc tính mạch dùng van điều khiển hồn tồn Khi việc điều chỉnh áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung nửa chu kỳ điện áp lưới 3.3.1 Mạch biến đổi ĐAXC lưới điện ba pha khơng có dây trung tính a> sơ đồ ngun lý A B C T6 T4 T1 ZA O T2 T3 ZB T5 ZC Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch XAXC pha đấu Y có dây trung tính b> Ngun lý làm việc dạng sóng dịng điện, điện áp - Mạch điều áp xoay chiều ba pha đấu có dây trung tính ngun lý dạng sóng dòng điện, điện áp tương tự ba mạch điều áp xoay chiều pha ghép lại Dạng song dòng điện điện áp pha không phụ thuộc điện áp rơi van điện áp pha Các biểu thức tình tương tự mạch pha Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 155 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 3.3.2 Mạch biến đổi ĐAXC lưới điện ba pha có dây trung tính a> sơ đồ nguyên lý A B C T6 T4 T2 T3 T1 ZB ZA T5 ZC Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch XAXC pha đấu Y dây trung tính b> Ngun lý làm việc dạng sóng dịng điện, điện áp -Để phân tích hoạt động sơ đồ ta phải xác định lúc ba pha dẫn, lúc có hai pha dẫn, khoảng dẫn van Ta xét với tải trở đầu hình khơng có dây trung tính, tải đối xứng Đồ thị dạng điện áp tải với góc điều khiển = 300 ; = 600 = 900 hình vẽ 3.9 -Góc điều khiển mạch tính từ thời điểm điện áp nguồn qua không ta cần lưu ý hệ thống điện áp ba pha dòng điện qua ba pha hai pha Khi dịng chảy qua ba pha điện áp pha điện áp pha Còn dịng chảy qua hai pha điện áp pha tương ứng nửa điện áp dây - Để hiểu rõ ta xét nguyên lý làm việc mạch XAXC pha với mạch đấu hình tải điện trở đối xứng + Trong khoảng 1 2 Khi dịng chảy qua ba pha, V1 dẫn pha A, V6 dẫn pha B, V5 dẫn pha C nên ta có: UZA = UA + Trong khoảng 2 3 Pha C dịng điện khơng thể chạy qua V5 Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 156 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất_ UC đảo chiều, nên V1 pha A dẫn dịng với V6 pha B đó: UZA = 1/2.UAB + Trong khoảng 3 4 Ở Pha C, V2 nhận tín hiệu điều khiển nên có van dẫn ba pha là: V1, V2, V6 Do đó: UZA = UA + Trong khoảng 4 5 pha B V6 không dẫn UB đảo chiều cịn V1 V2 dẫn Do đó: UZA = 1/2.UAC + Trong khoảng 5 6 Phân tích tương tự có van dẫn là: V1, V2, V3 Do đó: UZA = UA + Trong khoảng 6 7 : UZA = -Bằng tính chất đối xứng xác định điện áp tải ZA nửa chu kỳ lại hình3.9-a Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 157 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Uc Ub Ua U wt a = 300 IG1 wt G2 wt IG3 wt IG4 wt IG5 wt IG6 wt UZA Uab/2 Ua Uac/2 wt UZB Ubc/2 Ub Uba/2 wt UZC Uc Uca/2 Ucb/2 wt Hình 3.9-a> Dạng điện áp tải với góc điều khiển = 300 Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 158 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Uc Ub Ua U t 600 IG1 t IG2 t IG3 t IG4 t IG5 t IG6 t UZA Uab/2 Ua Uac/2 t UZB Ubc/2 Ub Uba/2 t UZC Uca/2 Uc Ucb/2 t Hình 3.9-b>Dạng điện áp tải với góc điều khiển = 600 Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 159 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Uc Ub Ua U 90 10 12 11 t IG1 t IG2 t IG3 t IG4 t IG5 t IG6 t UZA Uab/2 Ua Uac/2 t UZB Ubc/2 Ub Uba/2 t UZC Uca/2 Uc Ucb/2 t Hình 3.9-c>Dạng điện áp tải với góc điều khiển = 900 Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 160 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất_ Từ q trình phân tích sở ta có vẽ dạng sóng cho trường hợp góc kích ( = 600; = 900) qua ta nhận thấy rằng: +0 600 Có giai đoạn hai van ba van dẫn +60 900 Chỉ có giai đoạn hai van dẫn +90 1500 Có giai đoạn hai van dẫn khơng có van dẫn - Từ đường cong điện áp tải ta tính giá trị điện áp hiệu dụng pha tải: + Với 600 ta có: U AN 2U sin 2 ( ) 2 +Với 60 900 : U AN 2U 3 sin 2 cos 2 3 4 +Với 90 1500 : U AN 2U 5 3 3Sin 2 cos 2 3 2 4 Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 161 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 3.4 Câu hỏi ôn tập tập chương Bài 3.1 Bộ biến đổi áp xoay chiều pha cấp nguồn cho tải trở R=10 Nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng 220V, 50Hz Góc điều khiển = /2 [rad] a Tính trị hiệu dụng áp tải b Tính cơng suất tiêu thụ tải c Tính hệ số cơng suất d Để đạt cơng suất tải 0,4 kW, tính độ lớn góc kích e Tính thơng số định mức linh kiện sử dụng Bài 3.2 Công tắc xoay chiều ba pha dùng đóng cắt cho tải pha đấu hình Cơng suất tải P = 20kW, hệ số cơng suất Cos = 0,707 Tính thơng số định mức áp dòng cho linh kiện Biết áp nguồn có trị hiệu dụng áp dây 440V Bài 3.3 Bộ biến đổi áp xoay chiều pha điều khiển theo phương pháp tỉ lệ thời gian Cho biết áp nguồn xoay chiều có U = 220V, = 314 rad/s Thời gian đóng 1s, thời gian ngắt 0,5s Tải trở R = 50 Hãy tính điện áp hiêu dụng tải cơng suất tác dụng tải Bài 3.4 Một mạch điều áp xoay chiều pha dùng triac với tải trở Biết điện áp đặt vào mạch; U = 220V; f = 50HZ; R = 31 a> Vẽ sơ đồ nguyên lý đường biểu diễn điện áp tải góc mở = 600 điện b> Tính giá trị hiệu dụng điện áp tải theo góc mở Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 162 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Bài 3.5 Một mạch điều chỉnh điện áp pha dùng triac để điều khiển cho tải trở Biết tải có cơng suất 15KW, giá trị hiệu dụng điện áp dây nguồn xoay chiều 415V Hãy xác định: a> Giá trị dòng điện hiệu dụng chảy qua triac b> Nếu thay triac thành cặp thyritstor đấu song song ngược, tính dịng điện hiệu dụng chảy qua Thyritstor Bài 3.6 Thiết bị điều chỉnh điện áp xoay chiều pha dùng thyritstor cấp nguồn cho tải cảm Cho trị hiệu dụng điện áp nguồn U=220v; f=50Hz, tải L =1mH; α =60o ;α = 90o ; α =120o a) Vẽ dạng sóng biểu diễn điện áp, dịng điện tải điện áp thyritstor uT b) Tính trị trung bình trị hiệu dụng dịng điện tải dòng thyritstor Bài 3.7 Cho điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha dùng thyritstor cấp cho lị điện trở có cơng suất định mức 20kW Cho điện áp dây hiệu dụng nguồn 380 V Hãy xác định: a) Vẽ dạng sóng dịng điện, điện áp pha a tải biết α=30o; α=60o; α=90o; b) Trị hiệu dụng dòng điện chảy van c) Biểu thức tính cơng suất P tải theo góc α Biết α = 45o tính P Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 163 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Bài 3.8 Thiết bị điều chỉnh điện áp xoay chiều pha dùng thyritstor cấp nguồn cho tải trở cảm R = Ohm, L= 9,55mH; α = 900 Cho trị hiệu dụng điện áp nguồn U=110V; f=50Hz a) Vẽ dạng sóng biểu diễn điện áp, dịng điện tải điện áp thyritstor uT b) Tính trị trung bình trị hiệu dụng dịng điện tải dòng thyritstor Bài 3.9 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải R với thơng số: nguồn ac có trị hiệu dụng áp pha 240V, f=50Hz, điện trở tải R=45 Xác định góc kích để công suất tải 800W Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 164 ... với tải R Từ biểu thức điện áp dòng điện ta xác định giá trị dòng điện, điện áp công suất mạch sau: -Điện áp hiệu dụng tải Uc ( 2U sin t ) dt U Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 2... thuộc điện áp rơi van điện áp pha Các biểu thức tình tương tự mạch pha Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 155 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 3.3.2 Mạch biến đổi ĐAXC lưới điện. .. đường biểu diễn điện áp tải góc mở = 600 điện b> Tính giá trị hiệu dụng điện áp tải theo góc mở Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều 162 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Bài 3.5
