Điện tử công suất 1 CHƯƠNG HAI BỘ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bò mạ, thiết bò hàn một chiều ; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều ; nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bò biến tần, cycloconverter dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều. Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW. 2.1 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ cấu tạo Các giả thiết : Nguồn ba pha lý tưởng , đối xứng (trở kháng trong L b ,R b =0) u 1 = U m .sinX u 2 = U m .sin ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 3 2 π X (2.1) u 3 = U m .sin ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 3 4 π X 2-1 Điện tử công suất 1 Với U m là biên độ áp pha U m = 2 .U ; U . trò hiệu dụng áp pha . X = ω.t : giá trò góc ứng với thời điểm t, ω : tần số góc Tải một chiều gồm R,L và sức điện động E mắc nối tiếp . Giả sử dòng qua tải i d liên tục Phân tích : Dể dàng nhận thấy rằng với nguồn áp ba pha lý tưởng không thể có hai (hoặc ba) diode đồng dẫn. Do dòng điện tải liên tục nên tại mỗi thời điểm chỉ có một diode dẫn điện . Bằng phép chứng minh bằng phản chứng, ta dể dàng suy ra kết luận sau: diode dẫn điện là diode mắc vào nguồn áp xoay chiều với trò tức thời lớn nhất trong các pha tại thời điểm đang xét. Ví dụ: Trong khoảng ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ << 6 5 6 ππ X , giả thiết V 2 đóng, V 1 và V 3 ngắt. Từ đó: u v2 = 0 và u v1 = u 1 - u 2. Theo hình vẽ H2.1: u v1 = u 1 - u 2 > 0 Như vậy, điện áp thuận xuất hiện trên diode khi dẫn điện. Điều này vô lý vì diode lý tưởng không cho phép áp đặt lên nó dương ở chế độ bò ngắt. Tương tự, giả thiết V 3 dẫn trong khoảng này cũng không phù hợp . Kết quả: V 1 dẫn trong khoảng ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 6 5 6 ππ , . Hệ phương trình mô tả trạng thái mạch : * ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ << 6 5 6 ππ X : V 1 đóng, V 2 và V 3 bò ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch (u 1 , v 1 ,RLE). u v1 = 0 ; i v1 = i d u v2 = u 2 - u 1 ; i v2 = 0 ; u v3 = u 3 - u 1 ; i v3 = 0 (2.2) u d = u 1 E dt di LiRu d dd ++= * ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ << 2 3 6 5 ππ x : V 2 đóng, V 1 và V 3 bò ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch ( u 2 ,v 2 ,RLE ) u v2 = 0 ; i v2 = i d u v1 = u 1 - u 2 ; i v1 = 0 ; u v3 = u 3 - u 2 ; i v3 = 0 (2.3) u d = u 2 E dt di LiRu d dd ++= 2-2 Điện tử công suất 1 * 6 13 2 3 ππ << x : V 3 đóng,V 1 và V 2 ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch: ( u 3 ,v 3 ,RLE ) u v3 = 0 ; i v3 = i d u v1 = u 1 - u 3 ; i v1 = 0 ; u v2 = u 2 - u 3 ; i v2 = 0 (2.4) u d = u 3 E dt di LiRu d dd ++= Dạng đồ thò các đại lượng áp và dòng điện được vẽ trên hình H2.b Hệ quả: - Điện áp chỉnh lưu có 3 xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T p = T/ 3 với T là chu kỳ áp nguồn xoay chiều - Khi dòng tải liên tục, điên áp tải chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và có độ lớn trò trung bình U d : UUXdXUU mmd sin ππ π ππ π 2 63 2 33 3 2 1 3 2 6 6 === ∫ + (2.5) Trò trung bình dòng điện tải ở xác lập I d : U d = R.I d + E ⇒ I d = R EU d − (2.6) - Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ. Do đó trò trung bình dòng qua diode: 3 3 2 1 3 2 6 6 d TTAV I dXiI == ∫ + ππ π π . (2.7) Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode bằng biên độ áp dây U RWM = 3 .U m (2.8) 2.2 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ cấu tạo : Mạch chứa nguồn áp xoay chiều 3 pha lý tưởng, 3 thyristor mắc dạng tia. Mạch được phân tích với giả thiết dòng qua tải liên tục. Do đó, tại mỗi thời điểm, dòng điện tải sẽ khép kín qua một nhánh mạch chứa nguồn và thyristor dẫn điện. Do tính chất đối xứng của nguồn, nên các thyristor sẽ kích đóng đối xứng theo trật tự V 1 ,V 2 ,V 3 ,V 1 2-3 Điện tử công suất 1 Giả thiết V 3 dẫn điện và ta muốn kích đóng V 1 . Muốn vậy ta xét dấu điện áp trên V 1 theo hệ thức : u v1 = u 1 - u 3 + u v3 = u 1 - u 3 (do u v3 = 0) Do u 1 - u 3 > 0 (tức có áp khoá trên V 1 ) khi 6 7 6 ππ << X nên V 1 sẽ đóng nếu ta thực hiện đưa xung kích đóng nó trong khoảng này. Gọi X α là vò trí xung kích đưa vào V 1 và α là góc cho bởi: α = X α - 6 π (2.9) Góc α được gọi là góc kích hoặc góc điều khiển của thyristor và có độ lớn được tính từ thời điểm xuất hiện điện áp khóa trên thyristor đang xét đến thời điểm đưa xung kích vào cổng điều khiển của thyristor đó. Tại vò trí có góc điều khiển α , V 1 đóng nên : u v1 = 0. Trên V 3 xuất hiện điện áp ngược đặt trực tiếp giữa anode-cathode : u v3 = u 3 - u 1 < 0 nên V 3 ngắt. Dòng điện tải khép kín qua mạch ( u 1 , V 1 ,RLE ). Các phương trình mô tả mạch lúc V 1 dẫn có dạng: u v1 = 0 ; i v1 = i d u v2 = u 2 - u 1 ; i v2 = 0 ; u v3 = u 3 - u 1 ; i v3 = 0 E dt di LiRu d dd ++= (2.10) Tương tự , ta phân tích các quá trình kích đóng V 2 ,V 3 . 2-4 Điện tử công suất 1 Dòng điện qua V 3 bò ngắt do tác dụng điện áp nguồn xoay chiều (u 3 -u 1 ) nên điện áp chuyển mạch là điện áp nguồn. Do điện áp chuyển mạch tạo thành từ bản thân của nguồn điện (mạch công suất ) nên quá trình chuyển mạch được gọi là quá trình chuyển mạch tự nhiên hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc. Các hệ quả khi dòng liên tục - Điện áp tải có dạng không phụ thuộc độ lớn dòng điện tải và các tham số mạch tải và chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc điều khiển α. Điện áp tải có 3 xung trong 1 chu kỳ T của áp nguồn. Chu kỳ áp chỉnh lưu T p trên tải bằng T p = T/3. - Trò trung bình áp chỉnh lưu trên tải () α π =α π = π =α ∫ π +α π +α cos.U. 2 63 cosU 2 33 XdXsinU 3 2 1 U m 6 7 6 md (2.11 ) - Phạm vi góc điều khiển α : do điện áp khóa trên thyristor chỉ tồn tại trong khoảng góc 0 nên góc điều khiển có phạm vi điều khiển là (0,π ). Từ đó, điện áp chỉnh lưu trung bình U d sẽ có độ lớn nằm trong khoảng: UUU d ππ 2 63 2 63 +<<− (2.12) - Khi điện áp trên tải có trò trung bình dương, tải nhận năng lượng từ nguồn và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Khi áp trung bình trên tải âm, do dòng tải chỉ dương nên tải phát ra năng lượng và ta gọi bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghòch lưu . - Đònh mức linh kiện: - Mỗi thyristor dẫn điện trong 1/3 chu kỳ áp nguồn do đó trò trung bình dòng qua nó I TAV = 3 d I . (2.13) Điện áp khóa và áp ngược lớn nhất có thể xuất hiện trên linh kiện có độ lớn bằng: U DRM = U RRM = U.6 (2.14) Ví dụ 2.1: Bộ chỉnh lưu mạch tia 3 pha điều khiển mắc vào tải chứa R = 10 Ω , E=50 V và tải rất lớn làm dòng tải liên tục và phẳng. Áp nguồn xoay chiều 3 pha có trò hiệu dụng U=220 V. Mạch ở trạng thái xác lập. a. Tính trò trung bình của điện áp chỉnh lưu và dòng chỉnh lưu khi góc điều khiển α = 3 π [rad] b. Tính công suất trung bình của tải . c. Tính trò trung bình dòng qua mỗi linh kiện d. Tính trò hiệu dụng dòng qua mỗi pha nguồn . e. Tính hệ số công suất nguồn . Giải: 2-5 Điện tử công suất 1 a/- Dòng qua tải liên tục nên suy ra: U d () α = α π cos U 2 63 Thay U= 220 [v], α = 3 π [rad], ta thu được U d () α = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 3 220 2 63 π π cos = 128,6 [V] Mạch ở trạng thái xác lập nên ta có: U d = RI d + E , hay I d = R EU d − Thay U d = 128,6 [V]; E = 50 [V]; R= 100 [ ] Ω ta có kết quả: I d = ][, , A877 10 506128 = − b. Do dòng tải phẳng nên ta sử dụng hệ thức tính công suất trung bình sau: P d = U d . I d hay P d =128,6x 7,86 = 101,8 [W] c. Mỗi linh kiện dẫn điện trong khoảng thời gian bằng nhau và bằng 1/3 chu kỳ lưới. Từ đó, dòng trung bình qua mỗi linh kiện bằng: I TAV = Id / 3 =7,83 / 3 =2,62 [A] d. Từ dạng đồ thò dòng qua pha nguồn của bộ chỉnh lưu, ta có trò hiệu dụng dòng I: I = 3 d I I = 4,54.[A] e. Hệ số công suất của nguồn λ λ = S P với P = 1 2 π ∫ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ π 2 0 332211 dXiuiuiu Nếu bỏ qua công suất tổn hao trên linh kiện, ta có: P = P d =1010,8 W=1,01kW Công suất biểu kiến của nguồn S = U Ù1 I 1 + U Ø2 I 2 + U 3 I 3 = 3U 1 I 1 với : U 1 =U=220 V ; I 1 =I= 4,54 A ; S= 3.220.4,54 = 2904 VA=2,9kVA Hệ số công suất của nguồn S: λ= S P = 2904 81010, = 0,3481 Ghi chú: hệ số công suất thay đổi phụ thuộc vào góc điều khiển và có độ lớn giảm dần khi góc điều khiển tăng dần và đạt giá trò lớn nhất khi góc điều khiển bằng 0 (giống như trường hợp chỉnh lưu không điều khiển). Hệ số công suất nguồn thường có giá trò nhỏ hơn 1 ngay cả khi góc điều khiển nhỏ nhất (α=0). 2-6 Điện tử công suất 1 Ví dụ 2.2: Tính trò trung bình áp và dòng chỉnh lưu, công suất tải tiêu thụ của bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha điều khiển. Tải có R= 10 [Ω], E=50 [V] và L=0. Áp nguồn U=220 [V]; góc điều khiển 3 π α = [rad]. Giải: Phân tích: giả sử lúc đầu dòng qua tải bằng 0. Ta có : U d = R.I d + E =E Khi 0 < X< 3 π λ = Tai X =α, u v1 =u 1 0421950 3 2220 3 >=− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ][,sin Vu d ππ là áp khóa, lại có xung kích (I G1 >0) nên V 1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u 1, V 1 ,RE). Lúc đó: u v1 =0 và u d = -u v1 + u 1 = u 1 i v1 =i d = R Eu R Eu d − = − 1 Dòng V 1 sau đó giảm về 0 tại X= X 1 khi u 1 =E i v1 (X 1 ) =0 ⇒ i v1 bò ngắt. Dòng tải i d bò gián đoạn (trạng thái 0), phương trình mô tả mạch: i d =0 u d = E = 50 V Trạng thái 0, kéo dài đến khi V 2 được kích. Hiện tượng đóng và ngắt dòng qua V 2 diễn ra tương tự như đối với V 1 . Từ đồ thò minh họa các quá trình trên hình H2.3, ta có: a. Trò trung bình điện áp chỉnh lưu U d . Do dòng tải i d bò gián đoạn nên ta không áp dụng công thức tính U d của trường hợp dòng liên tục được. Ta có: 2-7 Điện tử công suất 1 () ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +== ∫∫∫ + ++ + 1 1 6 6 5 6 5 6 2 3 3 2 1 X X mdd dxExdxUdxuU π α π α π α α π π π α .sin. () { } ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −++ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += 11 6 5 62 3 XEXUU md π α π α π α coscos { () } V472 982 6 5 3 50982 63 2220 3 2 , ,,coscos. = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −++ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += ππππ π Trò trung bình dòng tải ở xác lập: A R EU I d d 242 10 50472 , , = − = − = b. Công suất trung bình trên tải: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − π = − π = π = ∫∫∫ ∫ π +α π +α π +α π +α π +α 111 X 6 X 6 d 2 d X 6 d dd 6 5 6 ddd dxu. R E dx R u 2 3 dx. R Eu .u 2 3 P dxi.u 3 2 1 P Thay X 1 =2,98 [rad], xurad d sin],[ 2220 3 == π α E =50 [V], R = 10[ Ω ] và lấy tích phân ta thu được: Pd =5.553W=5,55kW 2.3 - BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN Sơ đồ cấu tạo: Mạch nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng mắc vào bộ chỉnh lưu cầu gồm 6 thyristor. Các điện áp u dA , u dK là điện áp từ điểm nút chung của các nhóm linh kiện đến điểm trung tính của nguồn áp ba pha. Phân tích: Mạch điện được phân tích với giả thiết dòng điện qua tải i d liên tục. Theo phép cộng điện áp, ta có: 2-8 Điện tử công suất 1 u d = u dA - u dK Ta sẽ chứng minh rằng nếu dòng tải liên tục, điện áp u dA sẽ chỉ phụ thuộc vào góc kích đóng của nhóm linh kiện ( V 1 , V 3 ,V 5 ) và điện áp nguồn ; và áp u dK phụ thuộc góc kích đóng của nhóm (V 2 ,V 4 ,V 6 ) Thật vậy, xét nhóm anode (V 1 ,V 3 ,V 5 ), giả sử rằng V 1 đóng và V 3 , V 5 bò ngắt, ta có: i V1 = i d ; i V3 = 0 ; i V5 = 0 u V1 = 0 ; u V3 = u 2 - u 1 ; u V5 = u 3 - u 1 ; u dA = u 1 Rõ ràng, các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode không phụ thuộc vào trạng thái kích đóng của các thyristor nhóm cathode. Do đó, để khảo sát điện áp u dA , ta chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng của các thyristor (V 1 ,V 3 ,V 5 ). Các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode có dạng giống như mạch chỉnh lưu tia ba pha với áp chỉnh lưu u dA , (hình H2.5). Góc điều khiển α ví dụ của V 1 , được tính từ vò trí xuất hiện áp khóa trên V 1 tức u v1 = u 1 - u 3 > 0 Tương tự, hoạt động nhóm cathode có thể phân tích dưới dạng chỉnh lưu mạch tia ba pha với áp chỉnh lưu u dK . Góc điều khiển, ví dụ của V 2 được tính từ vò trí xuất hiện điện áp khoá trên V 2 , tức là: u V2 = u 2 - u 3 > 0 Phương trình điện áp tải và dòng tải: u d = u dA - u dK E dt di Li d d ++ . Ru d = . Tổng hợp các kết quả phân tích ở trên, ta có thể viết phương trình mô tả trạng thái mạch, ví dụ khi V 1 ,V 2 đóng : u V1 = 0 ; u V2 = 0 ; u V3 = u 2 - u 1 ; u V4 = u 3 - u 1 i V1 = i d ; i V2 = i d ; i V3 = 0 ; i V4 = 0 u V5 = u 3 - u 1 ; u V6 = u 3 - u 2 i V5 = 0 ; i V6 = 0 u d = u dA - u dK = u 1 - u 3 E dt di LiRu d dd ++= (2.15) Đồ thò điện áp và dòng điện các đại lượng mạch được vẽ trên hình H2.6 Xung kích: 2-9 Điện tử công suất 1 Giả sử tại thời điểm đưa xung kích cho thyristor V 2 bắt đầu trạng thái (V 1 V 2 ). Nếu dòng điện tải liên tục, việc kích V 2 sẽ làm cho nó dẫn điện. Nếu dòng điện tải ở trạng thái gián đọan, việc đưa xung kích cho V 2 không thể làm nó dẫn vì dòng điện không thể khép kín qua nhóm anode đang ở trạng thái ngắt. Trong trường hợp này, để tạo điều kiện cho việc kích V 2 thành công, xung kích phải được đưa đồng thời cho cả V 1 . Như vậy, V 1 được kích lập lại. Tương tự khi khảo sát việc chuyển mạch giữa các linh kiện còn lại. Trình tự kích V 1 V 2 , V 6 cuối cùng có dạng như trên hình vẽ H2.6b. Khoảng cách giữa xung kích đồng thời đến xung kích lập lại bằng 3π . Ngoài dạng xung đơn kích lập lại trên linh kiện vừa nêu (kỹ thuật kích đôi – double trigger), xung kích có thể ở dạng chuỗi xung hoặc dạng xung kích liên tục (H2.6c). Hệ quả: Khi dòng điện tải liên tục: -Dạng điện áp tải có 6 xung và chỉ phụ thuộc vào góc điều khiển và điện áp nguồn xoay chiều. Chu kỳ xung chỉnh lưu bằng 6 1 chu kỳ áp nguồn T p = 6 1 T (2.16) Trò trung bình điện áp chỉnh lưu: () () () α π =α−α= π =α ∫ π + cosU 33 UUdXu 6 2 1 U m 6 2 x x dKdAdd 0 0 α π =α cos.U 63 )(U d (2.17) với U là trò hiệu dụng điện áp pha U = 2 m U - Phạm vi góc điều khiển α : bằng phạm vi góc điều khiển của các nhóm chỉnh lưu mạch tia, tức ( 0, π ). Do đó, điện áp trung bình trên tải có thể điều khiển thay đổi trong khoảng ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ − UU .,. ππ 6363 (2.18) Dòng trung bình qua tải (RLE): I d = R EU d − Mỗi thyristor dẫn điện trong 1 3 chu kỳ áp nguồn nên trò trung bình dòng điện qua nó: 2-10 [...]... hệ thống điện lưới nên chúng cần được khử bỏ Mạch lọc cơ bản được lắp đặt giữa hệ thống lưới điện và bộ chỉnh lưu bao gồm các bộ lọc cộng hưởng LC và mạch lọc thông cao RLC Mạch lọc cộng hưởng được hiệu chỉnh chủ yếu cho các sóng hài bậc 5 và 7 vì chúng có biên độ lớn nhất Ví dụ 2.3Ï: Cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn với các tham số sau: áp dây nguồn ac 480V, f=50Hz Tải R=10, L=50mH . Điện tử công suất 1 CHƯƠNG HAI BỘ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm. điện đồng bộ. Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận