Điện tử công suất 1 2-21 2.6 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ CHỈNH LƯU VÀ HỆ QUẢ 2.6.1 CHẾ ĐỘ CHỈNH LƯU VÀ CHẾ ĐỘ NGHỊCH LƯU Trong chế độ chỉnh lưu (hình H2.19a), công suất tiêu thụ đưa từ nguồn xoay chiều sang mạch một chiều. Giả thiết dòng điện tải được lọc phẳng, công suất do bộ chỉnh lưu cung cấp có giá trò P d =U d .I d , điều kiện của chế độ chỉnh lưu là P d ≥ 0. Do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghóa U d ≥ 0. Các bộ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn, điện áp chỉnh lưu không âm xảy ra với các góc kích điều chỉnh trong phạm vi: 2 0 π α ≤≤ . Các bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần, điều kiện để U d >0 xảy ra với góc kích nằm trong phạm vi πα ≤≤0 . Tải tiêu thụ công suất P d >0 có thể là tải thuần trở R hoặc dạng nối tiếp RL hoặc tải gồm RLE với E là sức điện động một chiều E>0 . Trong chế độ nghòch lưu, công suất phát ra từ tải sẽ đưa trả về nguồn xoay chiều qua bộ chỉnh lưu. Vì công suất bộ chỉnh lưu nhận về bằng P d =U d .I d , điều kiện của chế độ nghòch lưu xảy ra khi P d ≤ 0. Do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghóa U d ≤ 0. Đối với các bộ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn, điện áp chỉnh lưu sẽ âm nếu góc kích thay đổi trong phạm vi: 2 π απ ≥≥ . Đối với các bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần, điều kiện để U d <0 không thể xảy ra với mọi giá trò của góc kích. Do đó chế độ nghòch lưu của bộ chỉnh lưu không thực hiện được với bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần. Tải chỉ phát ra công suất P d <0 khi nó chứa phần tử sức điện động E<0- ví dụ động cơ một chiều ở chế độ máy phát. Tải chứa cuộn kháng lớn cũng có thể phát ra công suất đưa về nguồn xoay chiều trong thời gian ngắn. Trên hình H2.20 là các đồ thò minh họa quá trình điện áp chỉnh lưu bộ chỉnh lưu cầu 3 pha khi bộ chỉnh lưu chuyển chế độ làm việc từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghòch lưu với giả thiết dòng điện tải liên tục. Các quá trình sóng đồng bộ (dạng cosin) và tín hiệu điện áp điều khiển được vẽ trên cùng một trục tọa độ với đồ thò điện áp chỉnh lưu trên tải. Ta thấy, quá trình điện áp tải u d thay đổi liên tục theo đường cosin khi chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghòch lưu. Trong trường hợp ngược lại, điện áp chỉnh lưu thay đổi dạng nhảy cấp. Điện tử công suất 1 2-22 Ví dụ 2.12: Cho bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn mắc vào nguồn ac một pha với trò hiệu dụng 220V, f=50Hz. Tải RLE với R=1 Ω , giả thiết dòng điện tải liên tục với L lớn vô cùng làm dòng tải phẳng với độ lớn I d =20A. Cho biết góc điều khiển , vẽ quá trình điện áp tải và dòng điện qua nguồn ac. Xác đònh độ lớn sức điện động E. Tính công suất phát ra của sức điện động và công suất nguồn ac nhận được. 0 120= α Giải Đồ thò các quá trình điện áp tải, dòng điện nguồn- xem hình vẽ H2.21: Với giả thiết dòng tải liên tục, điện áp trung bình trên tải: ][cos VU d 99120220 22 0 −== π Sức điện động E xác đònh theo hệ thức: U d =R.I d + E=U d -R.I d =-99-1.20=-119[V] Công suất phát ra từ tải: P E =E.I d =-119.20=-2380W=-2,38kW Công suất tiêu hao trên điện trở: P R =R.I d 2 =1.202=400W=0,4kW Công suất nguồn ac cung cấp: P ac =U d .I d =-99.20=-1.980W=-1,98kW Dấu (-) có nghóa là tải đưa công suất về nguồn qua bộ chỉnh lưu. Điện tử công suất 1 2-23 Ví dụ 2.13: Giải thích các chế độ làm việc của các bộ chỉnh lưu theo cấu hình H2.22 a/-b/-c/- khi thay đổi góc kích trong phạm vi )( 2 0 π α ≤≤ và )( πα π ≤≤ 2 . Khi nào tồn tại chế độ nghòch lưu trong các cấu hình trên. Trạng thái công suất giữa nguồn và tải như thế nào? Giải: Ở trường hợp a/-, chiều của sức điện động E và dòng điện của tải cho thấy tải luôn nhận công suất. Khi )( 2 0 π α ≤≤ , điện áp chỉnh lưu trung bình luôn dương. Phụ thuộc vào độ lớn của góc điều khiển, điện áp chỉnh lưu và dòng điện sẽ đạt các giá trò khác nhau- Điện tử công suất 1 2-24 dòng điện có thể liên tục hoặc gián đoạn. Nguồn ac cung cấp công suất tiêu thụ trên R, E và tích lũy năng lượng từ trường trong L. Khi )( πα π ≤≤ 2 , nếu dòng tải liên tục, điện áp tải âm, U d và E cùng dấu có khuynh hướng làm giảm liên tục dòng điện về 0, chiều các SCR không cho phép dòng điện chuyển sang âm dưới tác dụng của U d và E. Trong giai đoạn quá độ này nguồn ac , sức điện động E và điện trở R đều nhận công suất. Tổng các công suất vừa nêu được cung cấp bởi cuộn kháng L mà theo thời gian dòng điện qua nó giảm xuống. Ở chế độ dòng điện tải gián đoạn, trò trung bình áp trên tải là dương, nguồn ac cung cấp công suất cho tải RLE. Như vậy, bộ chỉnh lưu có thể làm việc trong chế độ nghòch lưu trong thời gian quá độ ngắn, chế độ nghòch lưu không thể tồn tại ở chế độ xác lập. Ở trường hợp b/-, có thể thấy rằng chế độ nghòch lưu có thể thiết lập với giá trò góc kích thỏa mãn điều kiện: 0 22 <+== ).(cos. EIRUU dd α π Ở trường hợp c/-, điều kiện 01 2 <+=+= ).()cos.( EIRUU dd α π không thể thỏa mãn với mọi giá trò của góc kích. Do E và U d cùng dấu, dòng điện qua tải sẽ tăng đến giá trò rất lớn cho bởi hệ thức (U d +E)/R. Công suất nguồn ac và công suất phát ra bởi sức điện động E sẽ tiêu hao một phần trên R, phần còn lại tích lũy trong cuộn kháng L. Bộ chỉnh lưu như vậy làm việc trong chế độ chỉnh lưu. 2.6.2 CHẾ ĐỘ DÒNG LIÊN TỤC VÀ CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐỌAN Do điện áp chỉnh lưu u d tạo thành có dạng xung nên giá trò điện áp này có thể tách làm hai thành phần: thành phần một chiều với trò tức thời bằng trò trung bình áp chỉnh lưu U d và thành phần xoay chiều : u dσ = u d - U d Thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu u d làm dòng điện tải i d bò nhấp nhô. Tương tự như điện áp, dòng chỉnh lưu có thể tách làm 2 thành phần tương ứng: i d = I d + i dσ Thành phần xoay chiều của dòng làm dòng điện tải có thể bò gián đoạn Khác với chế độ dòng tải liên tục, khi mà điện áp tải trung bình chỉ phụ thuộc vào yếu tố nguồn và yếu tố điều khiển (góc kích), ở chế độ dòng qua tải bò gián đoạn , dạng điện áp chỉnh lưu của tải phụ thuộc không những vào yếu tố nguồn và góc điều khiển mà phụ thuộc cả vào các tham số của tải (RLE) . Ví dụ: xét điện áp tải chỉnh lưu bộ chỉnh lưu cầu một pha đối với tải RLE khi i d = 0 (hình H2.23) u d =0 nếu E = 0 u d = E nếu E ≠ 0 Các hệ thức U d dẫn giải cho dòng tải liên tục không áp dụng được cho trường hợp dòng gián đoạn. Tỉ lệ phân bố thời gian dòng điện qua tải liên tục (i d >0) và thời gian dòng gián đoạn ( i d = 0) trong một chu kỳ xung điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào các giá trò tham số tải R,L,E và góc điều khiển α. Việc tính toán điện áp chỉnh lưu trong trường hợp này rất phức tạp. Khi dòng tải gián đoạn, quan hệ giữa điện Điện tử công suất 1 2-25 áp chỉnh lưu và α không còn là duy nhất. Trong điều khiển, ví dụ động cơ điện một chiều, khi dòng tải bằng 0, moment tác động triệt tiêu và việc điều khiển tải không có tác dụng. Tác dụng dòng tải gián đoạn làm đặc tính điều khiển trở nên phi tuyến, hiện tượng quá độ của hệ điều khiển khó hiệu chỉnh, do đó trong kỹ thuật người ta cố gắng hạn chế vùng làm việc của bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng gián đoạn. Trên hình H2.24 vẽ quá trình điện áp và dòng điện tải khi chuyển từ chế độ dòng liên tục (t<t 1 ) sang chế độ dòng tải triệt tiêu (t 1 <t<t 2 ), khi đó áp trên tải bằng E. Trong khoảng thời gian t>t 2 , dòng điện tải trở nên gián đoạn trong từng chu kỳ điện áp chỉnh lưu (xem chi tiết trên hình H2.24b). Điện áp tải chỉnh lưu thay đổi giữa các giá trò áp nguồn xoay chiều và sức điện động E. Dòng điện tải trung bình có giá trò tương đối nhỏ. Tuy nhiên chế độ dòng tải gián đoạn thường ít xảy ra nên trong trường hợp không có yêu cầu chính xác cao, việc tính toán đònh mức hệ thống có thể vận dụng từ kết quả tính cho dòng tải liên tục. Việc mô tả mạch điện với quá trình dòng điện tải liên tục và gián đoạn có thể minh họa trên ví dụ bộ chỉnh lưu tia một xung, xem hình vẽ H2.25. Ví dụ 2.14: Phân tích bộ chỉnh lưu tia một xung điều khiển trên hình H2.25 với hai trường hợp tải RL và RLE. Giải: Trường hợp tải RL: Tại vò trí góc kích , xung kích đóng V làm mạch khép kín qua tải. Phương trình mạch điện sẽ là: α u d =u; dt di .Li.Ru d dd += Nghiệm của phương trình có dạng: Điện tử công suất 1 2-26 ωτ − +θ−= x m d e.A)xsin(. Z U )x(i với 22 )L(RZ ω+= ; R L arctan ω =θ ; R L =τ Hằng số A xác đònh từ điều kiện ban đầu 0)(i d =α . Từ đó: ωτ α ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ θ−α−= e.)sin(. Z U A m Kết quả là quá trình dòng điện tải trong một chu kỳ điện áp lưới có thể biểu diễn dưới dạng hàm tổng quát sau: ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ π≤<β β≤≤ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ θ−α−θ− = ωτ −α − 2x;0 x0;e).sin()xsin(. Z U )x(i x m d Góc là góc tắt của thyristor và có thể xác đònh theo điều kiện dòng điện tải triệt tiêu: β 0)(i d =β . ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ θ−α−θ−β==β ωτ β−α − e).sin()sin(. Z U 0)(i m d Nghiệm ( β ) của phương trình có thể giải bằng phương pháp số. Góc ( ) gọi là khoảng dẫn của thyristor. α−β Trò trung bình điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển và tham số tải: Điện tử công suất 1 2-27 )cos.(cos 2 U dx.xsin.U 2 1 U m md β−α π = π = ∫ β α Trò trung bình dòng điện tải chỉnh lưu: dx).x(i 2 1 I dd ∫ β α π = Trò hiệu dụng dòng điện qua nguồn bằng với trò hiệu dụng dòng qua linh kiện và qua tải có thể xác đònh theo hàm tích phân sau: dx).x(i 2 1 I 2 drms ∫ β α π = Trường hợp tải RLE: (xem hình H2.26) Thyristor có thể kích dẫn nếu xung kích thực hiện trong điều kiện áp trên thyristor dương. Rõ ràng điều kiện góc kích α phải thỏa mãn là: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =α>α m min U E arcsin và min α−π<α . Dòng điện tải trong một chu kỳ lưới có thể biểu diễn dưới dạng: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ π≤<β β≤≤α+−θ− = ωτ − 2x0 xe.A R E )xsin(. Z U )x(i x m d Hằng số A xác đònh từ điều kiện dòng qua thyristor tắt: ωτ α ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +θ−α−= e. R E )sin(. Z U A m Điện áp tải chỉnh lưu trong thời gian thyristor dẫn điện bằng điện áp nguồn và trong thời gian dòng tải gián đoạn bằng sức điện động của tải u d =E. Ví dụ 2.15: Bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha mắc vào tải thuần trở R = 10 Ω. Nguồn xoay chiều có trò hiệu dụng áp pha bằng 220 V, ω =314 rad/s. Vẽ đồ thò và tính trò trung bình của điện áp và dòng điện tải trong hai trường hợp góc điều khiển: Điện tử công suất 1 2-28 [] [] rad 3 2 /b rad 9 /a π =α− π =α− Giải: Trường hợp [ rad 9 π α = ] dòng qua tải liên tục (hình H2.27a) Trường hợp [ rad 3 2 π α = ] , dòng qua tải bò gián đoạn. Đồ thò các quá trình được vẽ trên hình H2.27b a/- ]V[78,241 9 cos.220. 2 63 cos.U. 2 63 U d = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π π =α π = ]A[178,24 10 78,241 R U I d d === b/- ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π +α+ π = π = ∫ π α+ π 6 cos1. 2 U3 dx.xsin.U. 3 2 1 U m 6 md ]V[9,19 63 2 cos1 2 220.23 U d = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π + π + π = ]A[99,1 10 9,19 R U I d d === Ví dụ 2.16: Điện tử công suất 1 2-29 Bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha điều khiển mắc vào nguồn U =220 V, ω = 314 rad/s. Tải có RE, R = 10 Ω , E = 50 V. Vẽ các quá trình áp và dòng tải và kết luận. Cho biết góc điều khiển : ]rad[ 2 /b ]rad[ 6 /a π =α− π =α− Hướng dẫn Để ý rằng: , R Eu i d d − = Do đo,ù khoảng thời gian xuất hiện (u d - E) < 0 theo qui tắc dòng liên tục sẽ được thay bằng chế độ dòng gián đoạn i d = 0. Áp tải lúc đó; u d = R.i d +E = R.0 + E = E hay u d = 50 V Kết quả áp cho trên hình vẽ H2.28a khi 6 π=α và H2.28b khi 2 π=α Điện tử công suất 1 2-30 Ví dụ: Trong khoảng α <X<X 1 , V 1 V 2 đóng, V 3 V 4 ngắt: u d =u; i d =(u-E)/R Trong khoảng X 1 <X< π + α : V 1 ,V 2 ,V 3 ,V 4 bò ngắt id=0; ud=R.id+E=E Với X 1 là nghiệm phương trình: U m .sinX 1 =E Giải ra và chọn nghiệm X 1 =170,7 0 Dòng điện tải cho bởi R Eu i d d − = Trò trung bình áp tải ∫∫ ∫ + + += = πα α πα α π π 1 1 1 1 X X dd dd dxEdxuU dxuU . Kết quả U d =224 [V] khi 6 π=α và U d =257[V] khi 2 π=α . Ví dụ 2.17 Cho bộ chỉnh lưu mạch cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải R. Góc điều khiển () rad 2 π α = p nguồn u = 220 2 sin314t [V], R = 10 Ω . Tính U d ,I d và công suất P d . Giải : Trước hết, ta áp dụng qui tắc phân tích tổng quát bộ chỉnh lưu với dòng tải liên tục và xác đònh điện áp u d . Từ giá trò của áp u d , ta kiểm chứng nghiệm dòng i d xem có thỏa mãn tính chất linh kiện không (i d > 0). Nếu không thỏa mãn điều kiện dòng, thì khoảng xuất hiện dòng i d < 0 không thể áp dụng qui tắc cho dòng liên tục được. Lúc đó, dòng tải gián đoạn i d = 0 và ta xác đònh lại điện áp u d trong khoảng đó. Đối với tải R, vì R u i d d = nên rõ ràng dòng tải gián đoạn trong khoảng thời gian áp u d xác đònh theo qui tắc dòng liên tục có giá trò âm tức u d <0. Kết quả điện áp và dòng điện tải được vẽ trên hình H2.29 [...]... V Id = − 99 − (− 150 ) = 5,1 10 A Do đó, dòng tải liên tục và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghòch lưu Dạng dòng điện và điện áp cho hai trường hợp được vẽ trên hình H2.30 2.7 - MẠCH LỌC ÁP TẢI VÀ DÒNG TẢI Để hạn chế thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu và do đó làm giảm độ nhấp nhô dòng điện tải, ta có thể: 1 Tăng số xung điện áp chỉnh lưu, ví dụ sử dụng mạch nhiều pha, dạng cầu 2 Dùng tụ lọc 3... Tính toán mạch tụ lọc C của bộ chỉnh lưu cầu một pha tải R (xem hình H2.31) Giải: Phương trình điện áp tải khi các diode dẫn: ud = U m sin x và khi diode ngắt: 2-32 Điện tử công suất 1 u d = ( U m sin θ).e −( x − θ ) ωRC Góc θ , tại vò trí dòng qua diode bò ngắt, được xác đònh theo hệ thức: θ = arctan( −ωRC ) = − arctan( ωRC ) + π Điện áp lớn nhất trên tải bằng biên độ áp nguồn và điện áp nhỏ nhất xảy... hợp với tụ C, mạch lọc LC được vẽ trên hình kèm theo Việc chọn các giá trò cần thiết của mạch lọc có thể thực hiện bằng giải tích, dựa theo phân tích sóng hài bằng chuỗi Fourier Tuy nhiên, việc tính toán có thể đơn giản hơn nhờ sử dụng phần mềm mô phỏng Trên hình vẽ H2.32, các đồ thò minh họa kết quả áp và dòng điện tải với hai giá trò khác nhau của cuộn kháng lọc 2-34 ... A] Công suất trung bình trên tải : Pd = Kết quả: 1 π ∫ α+π α Pd = u d i d dx = 1 π ∫ 2 Um = 2420 4R π α 2 ud 1 dx = R π ∫ π α (U m sin α )2 dx R W Ví dụ 2.18 Cho bộ chỉnh lưu mạch cầu một pha điều khiển toàn phần Áp nguồn u = 220 2 sin314t 2π (rad ) Kết Tải R=1 Ω, L = 0,01 H và E Mạch ở trạng thái xác lập với góc điều khiển α = 3 luận gì về trạng thái áp và dòng tải nếu : a./- E=150[V]>0 b/- E = -... sin( π + α ) = 0 Từ đó: (sin θ).e Giá trò α cần xác đònh bằng phương pháp tính số Độ chênh lệch giữa điện áp lớn nhất và nhỏ nhất điện áp tải bằng: ∆U d = U m − U m sin( π + α ) = U m (1 − sin α ) Với các giá trò R, ∆U d cho trước, ta có thể xác đònh độ lớn tụ C Thông thường: ωRC >> π ; θ ≈ π 2 ; α ≈ π 2 Điện áp thấp nhất của tải có thể giả sử bằng giá trò áp tại thời điểm x= π Ta có: 2-33 Điện tử công... trạng thái xác lập : Ud = R.Id + E Giả sử dòng tải liên tục , trò trung bình điện áp và dòng điện chỉnh lưu: 2 2 2 2 ⎛ 2π ⎞ Ud = U cos α = 220 cos⎜ [V ] ⎟ = −99 π π ⎝ 3 ⎠ Id = Ud − E R a/- Nếu E = 150 V Id = −99 − 150 = −24,9 10 A điều này không thể xảy ra Vậy trong trường hợp này dòng tải gián đoạn Quá trình điện áp và dòng tải trong chu kỳ áp lưới gồm 2 khoảng: 2π/3 . công suất 1 2-21 2.6 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ CHỈNH LƯU VÀ HỆ QUẢ 2.6.1 CHẾ ĐỘ CHỈNH LƯU VÀ CHẾ ĐỘ NGHỊCH LƯU Trong chế độ chỉnh lưu (hình H2.19a), công. các đồ thò minh họa quá trình điện áp chỉnh lưu bộ chỉnh lưu cầu 3 pha khi bộ chỉnh lưu chuyển chế độ làm việc từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghòch lưu