Giáo trình Lắp mạch điện tử công suất (Trình độ Trung cấp) - Trường Cao đẳng Lào Cai

âpt vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một vàn. Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha. Hơn nữa một số thông số khác cũng không tốt. Tải là R + L Cuộn cảm L tích luỹ năng lượng khi dòng id tăng và hoàn năng lượng khi dòng id giảm. Ta có phương trình mạch điện là phương trình vi phân và giải phương trình này để tìm Id Ungmax = 2U22 Utb =  max2U Hình 2.8. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, L  u id ud i 0 L D2 D1 R0 u1 ub0 ua0 b a ib ia id c 26   2 2 2 0 2 2 2 sin 2 sin 2 sin sin . d d d R R X X d diu L Ri U t U dt Ui I e e R X                        Đối với ½ chu kỳ đầu tiên 0    , oI = 0 X L Xtg R      Nhận xét : Tại bất kỳ thời điểm nào luôn luôn có điện thế tại điểm a hoặc b lớn hơn điện thế của điểm c vì vậy không thể sử dụng Diode hoàn năng lượng vì nó không bao giờ được phân cực thuận và dẫn. Nếu cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (L = ) thì dòng tải coi như được nắn thẳng hoàn toàn và dòng qua các Diode có dạng xung chữ nhật với biên độ bằng dòng Id. Điều này dẫn đến sai số trong tính toán khoảng 15 – 20% so với thực tế nhưng các kết quả tính toán là hoàn toàn có thể chấp nhận được.  Điện áp chỉnh lưu vẫn có dạng giống như tải thuần trở, do đó giá trị trung bình bằng : 22 2 2 0 22 21 2 2 sin 0,9 2 m d UUU U d U           (2.9)  Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp bằng : 22 0 1 2 2 d d II I d      (2.10)  Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp bằng : 22 1 0 1 2 d d ba ba I II d K K            (2.11)  Công suất tính toán máy biến áp bằng : 1 2 2 S SS  S2 = 2U2I2 = 1.57Pd S1 = U1I1 = 1.11Pd S = 1.34Pd (2.12)  Tính hệ số công suất MBA (coi hiệu suất sơ đồ chỉnh lưu bằng 1) : Ta có P1 = U1I1cos1 = Pd; P2 = U2I2cos2 = Pd 1 2 1 2 cos ;cosd dP P S S    1 2cos coscos 2 d MBA P S       (2.13)  Có thể thấy rằng trong trường hợp tải trở cảm công suất tính toán máy biến áp yêu cầu nhỏ hơn so với trường hợp tải thuần trở. 1.3.Chỉnh lưu cầu một pha Tải thuần R 27 Mạch chỉnh lưu gồm 4 van D1 D4 đấu thành hai nhóm (hình 2.5a): D1D3 đấu catôt chung, D2D4 đấu anôt chung. Nguồn xoay chiều dưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới hoặc thông qua biến áp. Trong nửa chu kỳ đầu: 0, điện áp u2 > 0 với cực tính trong ngoặc trên sơ đồ. Ta thấy với nhóm catôt chung D1D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vì vậy D1 sẽ dẫn. Còn ở nhóm anôt chung D2D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vì vậy D2 dẫn. Như vậy nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn. Trong nửa chu kỳ sau điện áp u2 < 0 với cực tính đảo lại (trong dấu ngoặc), lý luận tương tự ta thấy điôt D3D4 dẫn. Đối với điện áp ra tải, ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kỳ đều được nối với cực tính dương (+) của nguồn u2, và điểm b luôn được nối với cực tính âm (-) của u2. Vì vậy điện áp ra tải ud giống của chỉnh lưu hình tia hai pha, do đó ta cũng có:  2 dÉnD,D 21 dÉnD,D 43 ¸khoD,D 43 ¸khoD,D 21   Hình 2.5 22 2 2 0 22 21 2 2 sin 0,9 2 m d UUU U d U           Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện và áp như nhau vì vậy ta có :  Giá trị trung bình của dòng tải : . 2 22 2d dm d U IU R RI     (0.8)  Giá trị trung bình của dòng chảy qua Diode : 2 d D II   Dòng i2 có dạng hình sin, do đó giá trị hiệu dụng của nó bằng : 22 1.112 2 2 m d d II I I   (0.9)  Tương tự i1 cũng có dạng sin, vì vậy : 21 1.11 d ba ba III K K   (0.10)  Công suất máy biến áp : id ud 0   2 id ud 28 Vì dòng sơ cấp và thứ cấp đều có dạng sin nên : S1 = S2 S = U2.I2  1,23 Pd Tải R + E Trong trường hợp này các công thức tính dòng Id, ID tương tự như trong mạch chỉnh lưu tia 2 pha nhưng giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp và điện áp ngược trên diode được tính theo công thức sau : 2 1 2 2 2 1 21 U EI i d R T         (0.11) max 22DU U ƯD: Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, nhất là với điện áp trên 10V, dòng tải có thể đến một trăm ampe. Ưu điểm của mạch là có thể không cần biến áp. Nhược điểm của nó là có hai điôt tham gia dẫn dòng: điôt nhóm lẻ dẫn dòng ra tải, nhóm điôt chẵn dẫn dòng từ tải về nguồn. Như vậy sẽ có sụt áp do hai điôt gây ra, chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn. Bài tập ví dụ 3: Cho mạch chỉnh lưu cầu có tải R + E biết 2 2.220sinu t , f = 50Hz, E = 110V, R = 2 a. Tính thời gian mở cho dòng chảy qua của mỗi Diode trong mỗi nửa chu kỳ:1 b. Tính giá trị trung bình của dòng điện tải id. c. Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện tải. d. Chọn Diode (Umax, ID) cho hệ các số Ku = 1,6, K I = 1,2 Hình .Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải R+ E u1 u2 E R ud E 0 1 2  2  Hình 3. Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải R,E u1 u2 E R ud E 0 1 2  2  29 Bài tập ví dụ 4: Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha như hình vẽ có U = 71V, E = 48V, R = 0,8 , f = 50Hz. Điện áp tải 2. 2. 2(1 cos 2 ) 3d Uu t    a. Tính trị trung bình của dòng tải Id. b. Vẽ các đường cong iD1, iD2, iD3, iD4, và i. c. Tính trị hiệu dụng I. Bài ví d Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu 1 pha để nạp điện cho ắc quy, có sức điện động E = 120V, dòng nạp Id = 40A. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 220V, tần số 50Hz. a. Tính t1- thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho ắcquy trong từng nửa chu kỳ.  - thời gian dẫn dòng của mỗi Diode trong 1 chu kỳ. b. R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu. c. Tính trị hiệu dụng của dòng tải. d. Tính hiệu suất của thiết bị. 1.2. Chỉnh lưu một pha có điều khiển Khái niệm về góc điều khiển : Mạch chỉnh lưu dùng van là điôt tuy đơn giản nhưng chỉ cấp ra tải một điện áp xác định Ud = ksđU2, chỉ phụ thuộc vào mạch van và điện áp nguồn U2, không cho phép thay đổi hoặc giữ ổn định theo yêu cầu công nghệ của tải. Điều này do điôt luôn tự dẫn dưới tác động của chính điện áp nguồn xoay chiều gọi là mở tự nhiên. Nếu thay điôt bằng tiristo sẽ điều khiển được điểm dẫn của van theo ý muốn, vì để mở cần có đồng thời hai điều kiện: Thứ nhất, điện áp trên van phải dương, UAK > 0; thứ hai, có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó. Như vậy sử dụng điều kiện thứ hai ta khống chế được điểm mở tiristor theo ý muốn. Để thực hiện trong mạch điều kiện này người ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (còn gọi là góc mở) được ký hiệu bằng . Quy ước về góc này như sau: Góc điều khiển  là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào cực điều khiển để mở van. Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là điôt thì nó bắt đầu dẫn. Việc tính toán góc  để mở van trong mạch chỉnh lưu tiristor theo yêu cầu công nghệ do khối điều khiển đảm nhiệm và được đề cập chi tiết ở chương 5. 30 Tại chương này chỉ xem xét ảnh hưởng của góc điều khiển  đến tham số Ud của chỉnh lưu. 1.2.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ a, Tải thuần trở R Để so sánh chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu điều khiển, trên sơ đồ hình 2.8 dựng các đồ thị ud ở hai trường hợp này. Hình 2.8b là điện áp chỉnh lưu nhận được khi dùng điôt. Hình 2.8c là chỉnh lưu có điều khiển. Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0  ) mặc dù điện áp trên tiristo T đã dương, song phải đến thời điểm  thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung (FX). Do đó: Trong giai đoạn (0  ) tiristo khoá: ud = 0. Trong giai đoạn (   ) tiristo khoá: ud = u2(). Trong giai đoạn (  0) tiristo khoá: ud = 0. u1 u2 ud id IG T FX Rd   Hình 2.8      Như vậy điện áp ud bây giờ không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2, mà chỉ là một phần của nó với độ lớn tuỳ thuộc góc . Ta có: 2 )cos1( U 2 dsinU2 2 1 d)(U 2 1 U 22 2 0 2d             (2.14) Khi điều khiển với  = 0 có giá trị Ud0: 220d U45,0U 2 U    Đây chính là biểu thức (2.6) tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt. Vì vậy có thể coi rằng chỉnh lưu điôt là trường hợp riêng của chỉnh lưu dùng tiristo với  = 0. Biểu thức (2.14) có thể viết lại thành: )(fU 2 )cos1( UU 0d0dd    (2.15) 31 Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào góc điều khiển . Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào tham số duy nhất là . Ở mạch chỉnh lưu này, bằng cách thay đổi  từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0). Các tham số của chỉnh lưu dùng tiristo đều lấy từ chỉnh lưu dùng điôt (bảng 2.1), với lý do đơn giản là khi  = 0 (tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển) thì điện áp chỉnh lưu lớn nhất và mạch cũng mang tải nặng nhất. 1.2.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ Hình 2.11b là đồ thị minh hoạ chỉnh lưu điều khiển này. Lưu ý rằng trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển  của các tiristo phải bằng nhau: 1 = 2 = . Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng mật độ đối xứng. Mạch điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xứng không vượt quá 10 đến 20 điện. 2'u 2''u 1u du a) Hình 2.11     2u 2u 2u  1GI 2GI du 1 12 b) Theo đồ thị ta nhận được:        2 0 2 2 0 dd dsinU2 1 d)(u 2 1 U     2 cos1 U 2 cos1 U 22 0d2      (2.26) với Ud0 = 0,9U2. Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp Ud, và ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn dải điều chỉnh . Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn. 2.3. Sơ đồ cầu một pha iT3 iT1 T3 T1 BA R i2 i1 ud iT4 iT2 id T4 T2 u2 u1 Hình 2.12 32 2. Bộ chỉnh lưu ba pha 2.1. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển 2.1.1. Chỉnh lưu hình tia ba pha a, Tải thuần trở R t -u2 ud nét đậm u2 u a 0    2 3= 2= 1= 3= 2= 1=  t iT1= iT2 b 0 Id 2  2= 1= 3= t e 0 2  Id 1= t iT3= iT4 c 0 2  uT1=uT2 Id/kba 1= t i1 d 0 2  uA D3 D2 ua D1 R uB uC Id 0   2 u /6 5/6 Ud  ua ub uc D1 D2 D3 0 1 2 3 4 Hình 2.12. Sơ đồ mạch và đồ thị dạng sóng điện áp tải R ub uc 33 Điện áp 3 pha lệch nhau 120o = 2 3 rad 2 2 2 2 s in 22 s in 3 42 sin 3 a b c u U u U u U                   (0.12) Theo hình 2.12 ta có: 1 2 2 3 3 4 , , , a b c a o d a b a c b o d b c a b c o d c u u u i i u u u u u i i u u u u u i i u u                             Giá trị trung bình của điện áp tải được tính: 2 1 5 6 2 2 2 2 6 3 3 3 3 22 sin . 2 sin . 1,17 2 2 2d U U d U d U U                (0.13) Hoặc có thể tính theo công thức tổng quát cho trường hợp này : 2 2 2 2 sin sin 2 q d m m q q qU U d U q              Nếu thay q = 3 (Số pha), ta sẽ có : 2 2 2 2 3 3 2 3sin 2 sin 1,17 3 2d m qU U U U U q          Công thức trên có thể áp dụng cho các sơ đồ tia (sao nhiều pha khác) Trong đó: 2 ao bo co phau u u u u    Sau khoảng thời gian 1, D2 dẫn D1 khoá, điện áp ngược đặt lên Diode D1 là: da ba b a b aU U U U U U                2 2 23 2 6 2,45Dnmu U U U   Hoặc có thể áp dụng công thức tổng quát : 22 cos 2Dnm m U U q   Nếu thay q = 3 thì ta cũng sẽ được kết quả như trên.  Dòng điện trung bình trên tải : 21,17d d U UI R R    Dòng điện tức thời qua Diode : 34 a a ui R  , bb ui R  , cc ui R   Dòng điện trung bình qua mỗi Diode : 3 d D II  Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện lặp lại như sóng điện áp. Do đó ta cũng có thể biểu diễn giá trị trung bình Id qua giá trị biên độ Idm tương tự như công thức tính điện áp : 3 3 2d dm I I    Gía trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp MBA : 2 0,583 d d d I II I q     Gía trị hiệu dụng dòng điện sơ cấp MBA có thể xác định từ các phương trình cân bằng sức từ động trong mạch từ. Tuy nhiên người ta tính được giá trị này bằng : 1 0,47 d ba II K   Tính công suất của MBA : 1 1 1 2 1 2 2 2 1 2 3 3 3 .0, 47 1, 21 1,17 3 3 0,58 1, 49 1,17 1,35 2 d ba d d d d d d US U I K U I I P US U I I P S SS P           Công suất tính toán của MBA phải bằng 1,35 công suất chỉnh lưu yêu cầu Pd.  Hệ số công suất của MBA được tính tương tự như ở các phần trước. 1 2 1 2 cos ;cosd dP P S S    1 2cos coscos 2 d MBA P S       = 0,74 Tải Là R + L Trong trường hợp này dòng tải sẽ được nắn thẳng, tuy nhiên với sai số cho phép ta có thể áp dụng các công thức tính toán các đại lượng tương tự như trường hợp tải thuần trở R. Bài tập ví dụ 6: Thiết bị chỉnh lưu Diode ba pha hình tia, ba Diode cấp dòng cho một mạch tải gồm s.đ.đ E = 120 V, R = 5  . Trị hiệu dụngcủa điện áp pha là U = 220 V, tần số nguồn điện xoay chiều là f = 50 Hz. a. Vẽ đường cong của dòng điện di chảy trong tải và của Di chảy trong 1 Diode. b. Tính trị trung bình của dòng di và của dòng Di . Tính trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp. 35 2.1.2. Chỉnh lưu cầu ba pha a, Khi ti R   1 2 3 4 5 6 7 Hình 2.7 Mạch van gồm 2 nhóm, các điôt D1, D3, D5 đấu kiểu catôt chung (hình 2.7), nên hoạt động theo luật : D1 dẫn trong khoảng 1  3 khi ua dương nhất; D3 dẫn trong khoảng 3  5 khi ub dương nhất; D5 dẫn trong khoảng 5  7 khi uc dương nhất; Các điôt D2, D4, D6 đấu kiểu anôt chung, nên: D2 dẫn trong khoảng 2  4 khi uc âm nhất; D4 dẫn trong khoảng 4  6 khi ua âm nhất; D6 dẫn trong khoảng 6  8 khi ub âm nhất; Đối chiếu theo đồ thị dẫn các van trên hình 2.7c ta thấy, bất kỳ ở thời điểm nào cũng có một điôt nhóm trên dẫn với một điôt nhóm dưới. Thí dụ trong khoảng 1  2 là điôt D1D6 dẫn. Lúc đó theo sơ đồ thay thế ở hình 2.7b ta thấy điện áp ra tải ud chính là điện áp dây của nguồn xoay chiều uab. Làm tương tự như vậy ta sẽ thấy rằng, trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều, điện áp ud sẽ hình thành từ 6 đoạn điện áp của nguồn xoay chiều theo thứ tự uab – uac – ubc - uba – uca - ucb. Điện áp trung bình nhận được trên tải là:       dUUduuU mmbatb .)120-sin(-sin2 6)-( 6/2 1 0 0 0 0 90 30 0 22 90 30   36     0000002 12030cos12090cos90cos30cos2 6  mU 22 U34,2U 63    (2.12) Giá trị trung bình của dòng qua tải là: 2. 63 U RR U I tbtb   Điện áp ngược max mà mỗi điode phải chịu là: mng UU 2max .3 Giá trị dòng chảy qua mỗi điode là: 32 2 0 0 90 30 Dd D Id R UI    So sánh giá trị này với chỉnh lưu ba pha hình tia, ta thấy nó có trị số gấp 2 lần. Điều này có thể thấy trên sơ đồ 2.7a, sơ đồ cầu ba pha dường như là hai sơ đồ hình tia mắc nối tiếp nhau, nhóm điôt lẻ chỉnh lưu lấy điện áp dương, nhóm điôt chẵn chỉnh lưu lấy nốt phân điện áp âm còn lại, vì vậy tổng quát ta có hai chỉnh lưu ba pha hình tia nối tiếp nhau. Điện áp ud của các mạch chỉnh lưu có dạng gợn sóng, không phẳng, gọi là độ đập mạch. Số lần đập mạch (ký hiệu mđm) trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều 2 phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu. Số đập mạch mđm càng cao thì dạng ud càng phẳng, tức là hệ số đập mạch k đm nhỏ hơn. b, Khi tải là R+E: Để có dòng tải id là dòng liên tục, phải thoả mãn điều kiện ud > E R Eui dd   C B A id ud i1 i4 D5 D6 D3 + E u2c u2b u2a D4 D2 D1 R Hình2.8: Mạch chỉnh lưu 3 pha cầu có tải là R+E - Nguyên lí hoạt động của mạch như sau: các dòng điện chạy ra trên các pha lệch nhau một góc 1200 nên dòng điện chạy ra điôt nắn điện cũng theo thứ 37 tự này, khi điện áp ngõ ra tăng cao làm cho các điôt phân cực thuận dẫn điện, các điôt bị phân cực ngược sẽ không dẫn. Thời gian dẫn của các điôt sẽ lệch nhau 1200 theo sự lệch pha của dòng điện trên mạch. - Vậy: + Dòng tải bao giờ cũng xuất phát từ điểm có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp nhất. + Mỗi điôt cho dòng chảy qua trong một phần ba chu kỳ (1200 hay 3/2 ) + Mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp cho dòng chảy qua trong hai lần một phần ba chu kỳ ( 3/4 ) 1/3 chu kỳ với điôt trên và 1/3 chu kỳ với điôt dưới. + Trị tức thời của điện áp ud bằng hiệu của trị tức thời điện áp của hai pha đang cấp dòng cho tải. + ud gồm 6 chỏm hình sin tạo nên. + Điện áp ngược lớn nhất mỗi pha phải chịu: 22 45,2.6 UUU im  + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: 2 6/ 6/ 2 2 34,2 .63 .cos.6 2 6 UUdUU d         + Dòng chảy trong điốt bằng dòng tải: ID=id + Dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp là dòng điện xoay chiều: 252 632 412 iii iii iii c b a    Giá trị trung bình của dòng tải:       6/ 6/ 2 . cos..6 2 6      R EUd R EUI dd Giá trị trung bình của dòng chảy trong mỗi điode:      6/ 6/ 2 3 . cos..61      d D Id R EUI c, Khi tải là R+E +L: Khi dùng một điện cảm mắc nối tiếp vào mạch tải thì dòng điện tải coi như được nắn thẳng id=Id Hình1.9 38 i4 i1 ud id A B C L D5 D6 D3 + E u2c u2b u2a D4 D2 D1 R Hình2.9: Mạch chỉnh lưu ba pha có tải là R+E+L Các đại lượng đặc trưng với điều kiện ud>E 3 ;;.63 2 d D d dd I I R EU IUU     Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp: ddd IIdII 816,0.3 2)( 2 2 3/2 0 2 2      Bài tập ví dụ 7: Một bộ chỉnh lưu Diode cầu 3 pha được nuôi từ dòng điện xoay chiều có điện áp dây 380V, thông qua máy biến áp 3 pha nối tam giác – sao ( /Y). Giả thiết điện áp rơi trên mỗi Diode là 0,7 V và dòng điện tải được nắn thẳng Id = 60 A. Điện áp trên tải là 300 V. a.Tính trị trung bình của dòng điện Diode ID và điện áp ngược mỗi Diode phải chịu Uim. b. Tính máy biến áp. 2.1.3. Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển Khi làm việc, các điôt chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch tại các góc điều khiển . Khi  600 (hình 2.28b là  = 900) sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời: 1  2: T3D3 dẫn; 3  4: T1D1 dẫn; 5  6: T2D2 dẫn. Do vậy trong các đoạn này điện áp ud = 0, và dòng điện id chạy quẩn trong tải mà không chảy về nguồn nên năng lượng được giữ lại ở tải, không bị trả về nguồn. Quy luật điện áp Ud có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương đương hai mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp: 39 1T 2T 3T dL dR di 2D1D 3D )a Hình 2.28  du 1T i         2T i 3T i 1D i 2D i 3Di au bu cu 1T 2T 3T 1D2D 3D 2D 1 2 3 4 5 6 )b - Chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển gồm T1, T2, T3 cho điện áp:  cosU17,1cos.UU 2tia0dd - Chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển gồm D1, D2, D3 cho điện áp: 2tia0dd U17,1UU  Vậy tổng lại: )cos1(U17,1cos.UUU 2tia0dtia0dd  Vì chỉnh lưu cầu có 2tia0d0d U34,2U2U  nên quy đổi biểu thức trên sang dạng cầu ta có: 2 cos1 U34,2 2 cos1 UU 2cÇu0dd     (2.52) Mạch cầu ba pha bán điều khiển có ưu điểm là điều khiển đơn giản hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Song cũng có nhược điểm là số đập mạch trong toàn dải điều chỉnh bằng 3: m đm = 3; chỉ ở  = 0 mới có m đm = 6 như sơ đồ cầu điều khiển. Tham số của mạch chỉnh lưu cơ bản xem ở bảng 2.1 Tham số Sơ đồ Ud0 Itbv Ungmax I2 I1 Sba U m đm kđm Một pha một nửa chu kỳ 0,45U2 Id 1,41U2 1,57Id 1,21Idkba 3,09Pd - 1 1,57 Một pha có điểm giữa 0,9U2 Id/2 2,83U2 0,58Id 1,11Idkba 1,48Pd da IX 1  2 0,67 40 Một pha sơ đồ cầu 0,9U2 Id/2 1,41U2 1,11Id 1,11Idkba 1,23Pd da IX 2  2 0,67 Ba pha hình tia 1,17U2 Id/3 2,45U2 0,58Id 0,47Idkba 1,35Pd da IX2 3  3 0,25 Ba pha sơ đồ cầu 2,34U2 Id/3 2,45U2 0,816Id 0,816Idkba 1,05Pd da IX 3  6 0,057 Bảng 2.1. Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản Ghi chú: Ud0 - trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu; U2 - trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn; Itbv - trị số trung bình của dòng điện qua van; Ungmax - điện áp ngược lớn nhất van phải chịu khi làm việc; I2, I1 - trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp biến áp nguồn; Id - trị số trung bình dòng điện ra tải; kba - hệ số máy biến áp nguồn; Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn; Pd công suất một chiều trên tải Pd = Ud0.Id; U - sụt áp do hiện tượng trùng dẫn gây ra (khi La  0); k đm - hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: k đm = 0d m1 U U , trong đó U1m là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo triển khai Fourier. 2.1.3. Chỉnh lưu m pha tổng quát Từ các mạch xét ở trên ta thấy, với một mạch chỉnh lưu tổng quá m pha, điện áp ud có dạng như hình 2.11. Nó là đường bao theo các điện áp phía nguồn xoay chiều với hệ số đập mạch là m đm, trong đó: Chỉnh lưu hình tia: m đm = mpha Chỉnh lưu cầu nếu m chẵn: m đm = mpha nếu m lẻ: m đm = 2mpha Biên độ điện áp chỉnh lưu Um cũng phụ thuộc vào sơ đồ đấu van: Chỉnh lưu hình tia: Um = U pha max = U2m Chỉnh lưu cầu: nếu m chẵn: Um = 2U2m nếu m lẻ: m2 cosU2U m2m   2.2. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển 2.1. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 41 Đồ thị điện áp ud của mạch chỉnh lưu này thể hiện trên hình 2.12b với góc điều khiển  = 300. Đây là góc đặc biệt. + Nếu   300, điện áp ud sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi tải thuần trở, dòng điện id sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id = 0, và dòng điện qua van luôn kết thúc khi điện áp pha về 0. Đồ thị ud có dạng hình 2.13a, theo đó có:  )30cos(1U 2 23 dsinU2 2 3 d)(u 2 1 U 02 0 2 2 0 dd          3 )30cos(1 U 3 )30cos(1 U 2 63 0 0d 0 2      (2.27) du bu cu au dR a) Hình 2.12 2u 1GI 2GI 3GI du au bu cu      b) + Nếu   300, dạng điện áp ud ở hình 2.13b. Ta thấy điện áp ud luôn lớn hơn 0. Như vậy tải thuần trở, dòng điện id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng điện này gọi là dòng điện liên tục. Ở đây quy luật điện áp ud khác đi, không tuân theo biểu thức (2.27) vừa có. Với lưu ý rằng ba van sẽ thay nhau dẫn trong một chu kỳ, nên mỗi van dẫn một khoảng 23, do đó:          cosUcosU2 63 dsinU2 2 3 U 0d2 12030 30 2d 00 0 (2.28) Như vậy, với mạch chỉnh lưu ba pha hỉnh tia, quy luật điện áp Ud phụ thuộc vào chế độ dòng: nếu dòng gián đoạn theo quy luật (2.27); nếu dòng liên tục lại theo (2.28). 42 au bu cu   du  030>)a  au bu cu   du  030<)b  t t t t t t t iT1=ia 0  2 4 3 2 1 2 b uT1 uac uab 0  2 4 3 2 1 i iT3=ic 0  4 3 2 1 d 2 iA 0  2 4 3 2Id/(3kba) 1 e Id/(3kba) iB 0  2 4 3 2 1 iC 0  2 4 3 2 1 g h iT2=ib 0  4 3 2 1 Id c t u 0  2    ud uc ub ud nét đậm ua  4 3 2 1 a 43 2.2. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 2.2.1. Chỉnh lưu điều khiển sơ đồ cầu: a. Sơ đồ cầu 1 pha Dạng điện áp nhận được trên tải sẽ hoàn toàn tương tự cho trường hợp mạch chỉnh lưu hai pha hình tia, vì vậy quy luật điều chỉnh điện áp ud tuân theo biểu thức: 2 cos1 UU 0dd   với Ud0 = 0,9U2. b. Sơ đồ cầu ba pha Để cấp điện cho tải phải đảm bảo có hai van dẫn: một của nhóm lẻ, một của nhóm chẵn. Như vậy khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn. Trên đồ thị ở hình 2.15 thể hiện điều này ở chỗ mỗi tiristo được phát hai xung: .  2u  1GI  2GI  4GI  du   3GI   2 Hình 2.14 Rd ud ida b c T1 T3 T5 T2T4 T6 Hình 2.15 xung: xung đầu tiên xác định góc , xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải Ở đây phải đảm bảo góc điều khiển các van phải như nhau: 1 = 2 = =6 = . Theo đồ thị ud() ta thấy góc giới hạn giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn bằng 600. Vậy: Nếu   600 ta sẽ có quy luật dễ nhớ là: Ud = Ud0cos = 2,34U2cos (2.29) Nếu  > 600 thì dòng điện sẽ gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu nhận được là: 2 )60cos(1 U 63 dsinU32 3 U 0 2 60 2d 0          2 )60cos(1 U 0 0d   (2.30) 44 Bài tập 1: Một bộ chỉnh lưu Diode cầu ba pha được nuôi từ dòng điện xoay chiều ba pha có công suất biểu kiến ngắn mạch 75 kVA và điện áp dây là 220 V. Hãy vẽ dạng đường cong điện áp tải và dòng điện nguồn khi dòng điện tải giả thiết được nắn thẳng là Id = 140 A. Bài tập 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode cầu một pha và sơ đồ chỉnh lưu Diode cầu ba pha. Giả thiết dòng điện tải được nắn thẳng d di I và bỏ qua điện áp rơi trên các phần tử, bỏ qua hiện tượng trùng dẫn. Vẽ dạng điện áp tải và dòng điện nguồn xoay chiều của hai sơ đồ chỉnh lưu. 2 2 2 iT2 2 0 t  d iT1 0 t  c  iT3 0 t e Id iT4  iT5 0 t h 0 t  g iB 0 t  2 l iC 0 t  2 m 2 iA 0 t Id/kba  2 k iT6 0 t  i  2 u 0    ud uc ub ua  7 5 3 1 a  nét đậm    ud 0 6 4 2 0 t t b A nét đậm 45 Bài tập 3: Cho hai sơ đồ chỉnh lưu Diode, xem hình 1, một pha hai nửa chu kỳ và cầu một pha. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn xoay chiều là U1 = 240V. Tải là điện cảm lớn, tiêu thụ dòng điện Id = 12A = const. Điện áp trên tải là Ud = 150V. Giả thiết điện áp rơi trên mỗi Diode là 0.7V. Hãy tính toán chi tiết hai sơ đồ trên và so sánh. Bài tập 4: Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu 1 pha để nạp điện cho ắcquy, có sức điện động E = 220V, dòng nạp Id = 60A. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 380V, tần số f = 50Hz. a. Tính t1 tại thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu dòng nạp cho ắcquy trong từng nửa chu kỳ.  thời gian dẫn dòng của mỗi Diode trong một chu kỳ. b. Điện trở R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu. c. Tính trị hiệu dụng của dòng tải. d. Tính hiệu suất của thiết bị. 3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu 3.1. Chế độ dòng điện liên tục Trong chế độ chỉnh lưu hình 2.19, công suất tiêu thụ đưa từ nguồn xoay sang mạch một chiều. Giả thiết dòng điện tải được lọc phẳng, công suất do bộ chỉnh lưu cung cấp có giá trị Pd = Ud.Id, điều kiện của chế độ chỉnh lưu là 0dP , do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghĩa 0dU , 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 20   . Các bộ chỉnh lưu bán điều khiển, điều kiện để Ud > 0 xảy ra với các góc kích nằm trong phạm vi  0 . Tải tiêu thụ công suất Pd > 0 có thể là tải thuần trở hoặc dạng nối tiếp RL hoặc tải gồm RLE với E là sức điện động một chiều E > 0 id ud D1 D3 D 4 D 2 1Di 4Di 2i 1u 2u 1u 1i 21u 22u ud id 21i 22i Hình 1 46 Trong chế độ nghịch lưu công suất phát ra từ tải sẽ trở về nguồn xoay chiều qua bộ chỉnh lưu. Vì công suất bộ chỉnh lưu nhận bằng Pd = Ud.Id, điều kiện của chế độ nghịch lưu xảy ra khi Pd 0 . Do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghĩa dU 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    . Đối với các chỉnh lưu điều khiển bán phần, điều kiện để Ud < 0 không thể xảy ra với mọi giá trị góc kích. Do đó chế độ nghịch lưu của bộ chỉnh lưu không thể thực hiện được đối với bộ chỉnh lưu điều chỉnh bán phần (chỉnh lưu bán điều khiển). Tải chỉ phát ra công suất Pd< 0 khi nó chứa phần tử sức điện động E <0. ví dụ động cơ 1 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 2.20 các đồ thị minh họa qua trình điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha khi bộ chỉnh lưu chuyển chế độ làm việc tà chỉnh lưu sang nghịch lưu với giả thiết dòng điện tải liên tục. Các quá trình sóng đồng bộ(dạng cosin) và tín hiệu điện áp được điều khiển được vẽ trên cùng một trục tọa độ điện áp trên tải. Ta thấy quá trình điện Ud thay đổi liên tục theo đường cosin khi chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang nghịch lưu. Trong trường hợp ngược lại, điện áp chỉnh lưu thay đổi theo dạng nhảy cấp. a, Chế độ chỉnh lưu H2.19 b, Chế độ nghịch lưu Pd >0; 2    2 ;0  dP R L + - Ud Id E + - R L - + Ud Id E - + 47 Hình 2.20 Ví dụ: Cho bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn mắc váo nguồn AC với trị hiệu dụng 220V, f = 50Hz . Tải RLE với R = 1  giả thiết với dòng điện tải là liên tục với L lớn vô cùng làm dòng tải phẳng với độ lớn Id = 20ª, cho góc điều khiển 0120 vẽ quá trình điện áp tải và dòng điện qua nguồn AC. Xác định độ lớn sức điện động E. Tính công suất phát ra của sức điện động và công suất nguồn AC nhận được. Giải Đồ thị các quá trình điện áp tải, dòng điện nguồn Hình 2.21 Với giả thiết dòng điện liên tục, điện áp trung bình trên tải là:  VU d 99120cos.220 22 0   Sức điện động E được xác định theo hệ thức:  VIRUEIRU dddd 11920.199..  Công suất phát ra từ tải: PE = E.Id = -119.20= - 2380 W =-2,380kW Công suất tiêu hao trên điện trở: PR = R. kWWI d 4,040020.1 22  Công suất nguồn AC cung cấp PAC = Ud.Id = -99.20 = -1980W = 1,98kW Dấu (-) có nghĩa tải đưa công suất về nguồn qua bộ chỉnh lưu. 48 Hình 2.21 Ví dụ 2: Giải thích các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu theo hình 2.22 a, b, c khi thay đổi góc kích trong phạm vi 20   và  2 . Khi nào tồn tại chế độ nghịch lưu trong các hình trên. Trạng thái công suất nguồn và tải như thế nào? Giải + Ở TH a, chiều của sức điện động E và dòng điện của tải cho thấy luôn nhận công suất. Khi 20   , điện áp chỉnh lưu trung bình dương. Phụ thuộc và độ lớn của góc điều khiển, điện áp chỉnh lưu và dòng điện sẽ đạt các giá trị Hình 2.22 R L E + - a, R L E - b, R L E - c, 49 khác nhau 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  2 nếu dòng tải liên tục: điện áp tải âm Ud và E cùng dấu có khuynh hướng làm giảm liên tục dòng điện về 0, chiều các SCR không cho phép chuyển sang âm dưới tác dụng của Ud 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 được nêu cung cấp bởi cuộn kháng L mà theo thời gian dòng điện qua nó giảm xuống. Ở chế độ dòng điện gián đoạn: Trị trung bình điện 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 nghịch lưu trong thời gian quá độ ngắn, chế độ nghịch lưu không thể tồn tại ở chế độ xác lập. + Ở TH b, Có thể thấy rằng chế độ nghịch lưu có thể thiết lập với giá trị góc kích thỏa mãn điều kiện   0.cos.22  EIRUU dd  + Ở TH c, Điều kiện     0..cos12  EIRUU dd  không thể thỏa mãn với mọi giá trị của góc kích. Do E và Ud cùng dấu, dòng điện qua tải sẽ tăng đến giá trị lớn cho bởi hệ thức (Ud + 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 ở chế độ chỉnh lưu. 3.2. Chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn Do điện áp chỉnh lưu ud tạo thành có dạng xung nên giá trị điện áp này có thể tách làm 2 thành phần : Phần một chiều với giá trị tức thời bằng trị trung bình áp chỉnh lưu Ud và thành phần xoay chiều ddd Uuu  Thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu ud làm dòng điện tải id bị nhấp nhô. Tương tự như điện áp, dòng chỉnh lưu có thể tách thành 2 thành phần tương ứng : ddd iIi  Thành phần xoay chiều của dòng làm dòng điện tải có thể bị gián đoạn. Khác với chế độ dòng tải liên tục, khi mà điện áp tải trung bình chỉ phụ thuộc vào yếu tố nguồn điện và yếu tố điều khiển (góc kích), ở chế độ dòng qua tải bị 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 tham số của tải RLE. Ví dụ, xét điện áp tải chỉnh lưu bộ chỉnh lưu cầu 1 pha đối với tải RLE khi id = 0. Hình 2.23 50 ud = 0 nếu E = 0 ud = E nếu E ≠ 0 Hình 2.23 Các hệ thức Ud dẫn giải cho dòng liên tục không áp dụng cho trường hợp dòng gián đoạn. Tỉ lệ phân bố thời gian dòng điện qua tải liên tục (id > 0) và thời gian dòng gián đoạn (id = 0) trong một chu kỳ xung áp chỉnh lưu phụ thuộc vào các giá trị tham số tải R, L, E và góc điều khiển  .Việc tính toán điện áp chỉnh lưu trong trường hợp này rất phức tạp. Khi dòng tải gián đoạn, quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu và  không còn là duy nhất. Trong điều khiển, ví dụ ĐC 1 chiều khi dòng tải bằng 0, momen tác dụng 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 Bài tập Bài 1: a, Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu Uo = 15V thì điện áp cực đại của điện áp thứ cấp MBA U2 là bao nhiêu? b, Biết U1 = 220V tính số vòng dây W1 biết số vòng dây W2 = 60. c, Tính từ thông cực đại trong lõi thép của MBA cho biết tiết diện mạch từ S = 10cm2. d, Bỏ qua điện trở dây quấn MBA , tính dòng điện trung bình qua tải 300Ω và dòng điện cực đại mà mỗi điode phải chịu. e, Tính công suất thứ cấp MBA Giải a, Đây là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ nên trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu U0 = max2 2 U  Suy ra U2max = 02 U = 1,57 . 15 = 23,6 V b, Trị số hiệu dụng của điện áp thứ cấp U1 Rt U2 I0 51 U2 = 6,16 2 6,23 2 max2  U V Số vòng dây của sơ cấp là W1 = W2  6,16 220.60 2 1 U U 795 vòng c, Từ công thức cơ bản của MBA U1 = 4,44. W1.f. Φm Φm =  fW U ..44,4 1 1 310.23,1 50.795.44,4 220  Wb Bm = 4 3 10.10 10.24,1    S m =1,24 T d, Dòng điện trung bình qua tải Io = 50 300 150  R U mA Dòng điện cực đại qua mỗi điode Im = 7,78 300 6,23  R U m mA e, Công suất thứ cấp MBA P = 918,0 300 6,16 222  R U W Bài 2: Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ cung cấp cho tải điện cảm với dòng điện 15A, nguồn xoay chiều U = 240V. Tính điện áp trung bình trên tải khi góc α = 450; 900; 1350; 1800.; Tính các thông số của thyristor và điode Giải Điện áp trung bình trên tải Utb = )cos1( 2   m U Từ đó suy ra α 00 450 900 1350 1800 Utb (V) 108 92 54 16 0 Các thông số tính chọn của thyristor Điện áp ngược cực đại Umax = U. 2 = 240. 2 = 340 V Khi α = 00 khoảng dẫn của thyristor cực đại. Trị hiệu dụng của dòng điện qua thyristor là I = 6,10 2 015 22   Điện áp ngược cực đại của diode chuyển mạch là Ung = Umax = 340 V Khi α = 1800 điode chuyển mạch dẫn điện gần như liên tục với dòng điện 15A I=15A T ud U2 U1 Ld D 52 Bài 3: Sơ đồ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa. Điện áp cấp của MBA là 120V. a, Tính điện áp trung bình trên tải khi góc α lần lượt là 00; 300; 600; 900 giả thiết dòng điện tải bằng phẳng và điệna sp rơi trên thyristor là 1,5V. b, Xác định các thông số của thyristor biết rằng dòng điện tải I = 15A. 2'u 2''u 1u du Rd T1 T2 Giải a, Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa có Utb =   cos 2 maxU Nếu kể đến điện áp rơi trên thyristor thì Utb =   cos 2 maxU - 1,5 = 5,1cos.2.120.2   Từ đó suy ra Góc mở α 00 300 600 900 Utb (V) 106,5 92,1 52,5 0 b, Xác định các thông của thyristor Điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor Ung = 2Umax =2.120 2 = 340 V Dòng điện hiệu dụng qua thyristor I = A I tai 6,10 2 15 2  Bài 4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Biết điện áp nguồn U = 120V, điện áp rơi trên thyristor là 1,5V. Tính điện áp rơi trên tải khi góc mở α lần lượt là 00; 450; 900 và điện áp ngược cực đại trên thyristor Giải Đây là sơ đồ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, trị số trung bình của điệna sp chỉnh lưu tương tự như trường hợp chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với MBA có điểm giữa. Utb =   cos 2 maxU Nếu kể đến điện áp rơi trên 2 thyristor cùng dẫn thì iT3 iT1 T3 T1 Rt i2 ud iT4 iT2 id T4 T2 u2 53 Utb =   cos 2 maxU - (2 x 1,5) từ đó suy ra Góc mở α 00 450 900 Utb (V) 105 73,4 0 Vì có 2 thyristor cùng dẫnnên điện áp ngược cực đại trên từng thyristor là Ung = Umax = 120 2 = 169,7 V Bài 5: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha chỉnh tia có điều khiển. Biết điện áp pha của nguồn Uf = 150V. a, Tìm dạng sóng đầu ra trên tải. b, Xác định điện áp trung bình trên tải khi góc mở α lần lượt là 00; 300; 600; 900 . Biết điện áp rơi trên từng thyritor là 1,5V và dòng điện tải là không đổi. du bu cu au dR Giải a, Dạng sóng điện áp tải được biểu diễn trên hình a. Góc mở α tính từ thời điểm giao nhau của các điện áp pha. Các SCR dẫn điện từ T1, T2 đến T3. Các xung điều khiển vẽ trên hình b b, Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu trừ đi điện áp rơi trên 1 SCR. Utb =   cos. 2 33 maxU - 1,5 Từ đó suy ra t u 0  2    ud uc ub Nét đậm ua  4 3 2 1 Hình a t t t igA igB igC Hình b 54 Góc mở α 00 300 600 900 Utb (V) 173,9 150,4 86,2 0 Bài 6: Cho mạch chỉnh lưu cầu có tải R+ E biết 2 2.220sinu t , f = 50Hz, E = 110V, R = 2 a. Tính trị trung bình của dòng điện tải id? b. Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện tải? c. Chọn Diode (Umax,ID) cho hệ số Ku = 1,6, K I = 1,2 Giải a. Tính dòng Id theo công thức : 2 1 1 2 2 cos sind UI R T           b. Tính giá trị hiệu dụng của tải : 22 .d U EI R T   Dòng điện trung bình qua Diode Mỗi chu kỳ : 2 d D II  c. Choïn Diode : . 2 . 1,2 . 1,6. 2 D D I D D mn u mn I K I I U K U U     IK , uK là hệ số an toàn 2. BỘ NGHỊC LƯU 2.1. Bộ nghịch lưu một pha 2.1.1. Nghịch lưu phụ thuộc: Nghịch lưu phụ thuộc là một chế độ làm việc của các sơ đồ chỉnh lưu, trong đó năng lượng từ phía một chiều được đưa trả về lưới điện xoay chiều. Đây là chế độ làm việc rất phổ biến của các bộ chỉnh lưu, đặc biệt đối với các hệ thống truyền động điện một chiều. Khi một máy điện một chiều được điều khiển bằng một bộ chỉnh lưu, máy điện có thể là động cơ tiêu thụ năng lượng điện từ lưới điện đồng thời cũng có thể đóng vai trò là nguồn phát năng lượng, ví dụ trong chế độ hãm tái sinh. Trong chế độ hãm tái sinh động năng tích luỹ trong phần quay của động cơ được đưa trở về lưới điện. Tuy nhiên vấn đề trả năng lượng từ phía một chiều về xoay chiều và cung cấp năng lượng từ phía xoay chiều đến một chiều xảy ra luân phiên là chế độ làm việc bình thường trong hệ thống truyền tải điện. Trước hết, các yêu cầu để có thể thực hiện được chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trong đó năng lượng từ phía một chiều được đưa trả về phía xoay chiều, là: 55 a, Trong mạch một chiều phải có sức điện động một chiều Ed có cực tính tăng cường dòng Id, nghĩa là dòng điện một chiều của bộ biến đổi phải đi vào cực âm và đi ra cực dương của sức điện động một chiều Ed. b, Góc điều khiển á phải lớn hơn 900. Điều này dẫn đến Ud = Ud0. Cos < 0. Như vậy, đầu ra của bộ chỉnh lưu không thể là nguồn cấp năng lượng vì dòng một chiều Id sẽ đi ra ở cực âm và đi vào cực dương của Udo. c, Điều kiện thứ ba rất quan trọng vì liên quan đến bản chất quá trình khoá của các Điôt nắn điện trong sơ đồ, đó là phải đảm bảo góc khoá  phải lớn hơn hoặc bằng  tr , trong đó tr là thời gian phục hồi tính chất khoá của van. Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha được trình bày ở Hình10. Hình 11: Nghịch lưu phụ thuộc một pha RtL1 Hình 12: Sơ đồ thay thế tương đương Hình13:Dạng dòng, điện điện áp Trong sơ đồ nếu tăng dần góc điều khiển  cho đến khi 2    thì 0cos   dod UU , có nghĩa là không thể duy trì được dòng Id theo chiều cũ. Tuy nhiên nếu như trong mạch một chiều có sức điện động Ed sao cho dd UE  thì dòng Id có thể đựơc duy trì. Nếu thay thế sơ đồ chỉnh lưu bằng nguồn sức điện động Udá ở sơ đồ Hình1.14 , có thể thấy chiều dòng điện Id đi ra ở cực âm và đi vào ở cực dương. Như vậy Udá đóng vai trò là phụ tải. Đối với Ed dòng Id đi ra ở cực dương và đi vào ở cực âm. Như vậy Ed là máy phát. Về bản chất ở đây phụ tải chính là phía xoay chiều vì trong phần lớn thời gian nửa chu kỳ của điện áp lưới thì dòng điện đi vào đầu có cực tính âm và đi ra ở đầu có cực tính dương. 2.1.2. Nghịch lưu độc lập: a, Định nghĩa: Nghịch lưu độc lập là những bộ biến đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều, cung cấp cho phụ tải xoay chiều, làm việc độc lập. Làm việc độc lập V1 V2 La La L1 Rt Ed U21 U22 U1 Ud Id Xa/ï Udocos Ud - + ï 2ï Ud Ud UV1 0 0 U21 U22 Id Ed ó ă 56 có nghĩa là phụ tải không có liên hệ trực tiếp với lưới điện. Như vậy, bộ nghịch lưu có chức năng ngược lại với chỉnh lưu. Khái niệm độc lập nhằm để phân biệt với các bộ biến đổi phụ thuộc như chỉnh lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp xoay chiều, trong đó các van chuyển mạch dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều. b, Phân loại: Tuỳ vào chế độ làm việc của nguồn một chiều cung cấp mà nghịch lưu độc lập được phân loại là nghịch lưu độc lập nguồn áp, nghịch lưu độc lập nguồn dòng. Phụ tải của nghịch lưu độc lập có thể là một tải xoay chiều bất kỳ. Tuy nhiên có một dạng phụ tải đặc biệt cấu tạo từ một vòng dao động, trong đó điện áp hoặc dòng điện có dạng Hình sin yêu cầu một dạng nghịch lưu riêng, gọi là nghịch lưu cộng hưởng. Nghịch lưu cộng hưởng có thể là loại nguồn áp và cũng có thể là nguồn dòng. 2.2. Mạch nghịch lưu ba pha: Tương tự như mạch nghịch lưu một pha, mạch nghịch lưu ba pha cũng được chia làm hai loại nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu độc lập. Sau đây lần lượt nghiên cứu các loại nghịch lưu ba pha. 2.2.1. Nghịch lưu phụ thuộc . Tương tự như nghịch lưu một pha, nghịch lưu phụ thuộc ba pha cũng được phát sinh trong quá trình làm việc của mạch điện có tải dùng nguồn dòng một chiều trả về nguồn và chúng cũng có các điều kiện tương tự như các mạch điện một pha. Sơ đồ nghịch lưu phụ thuộc sơ đồ cầu ba pha được trình bày ở Hình16 La La La V1 V4 V3 V6 V5 V2 Rt Ed - + Hình14: Mạch nghịch lưu phụ thuộc ba pha 2.2.2. Nghịch lưu độc lập ba pha: Cũng giống như nghịch lưu phụ thuộc, nghịch lưu độc lập ba pha có hai loại đó là nghịch lưu độc lập ba pha nguồn dòng và nghịch lưu độc lập ba pha nguồn áp. Mạch nghịch lưu độc lập nguồn dòng ba pha:(hình15) Ua Ub Uc L= ∞ 57 V2 V5 V6 V3 V4 V1+ - L E C1 C3 C2 C B A Za Zb Zc Hình15: Mạch nghịch lưu nguồn dòng ba pha Dạng cơ bản của nghịch lưu nguồn dòng ba pha được thể hiện ở sơ đồ Hình17. Trên sơ đồ các SCR từ V1 đến V6 được điều khiển để dẫn dòng trong khoảng 1200, mỗi van cách nhau 600 như trên Hình18. Hình16: Dạng tín hiệu điều khiển Mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha: Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha được trình bày ở Hình19. Sơ đồ gồm 06 van điều khiển hoàn toàn gồm V1, V2, V3, V4, V5, V6 và các điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5, D6. Các điốt ngược giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải với nguồn. Đầu vào một chiều là một nguồn áp đặc trưng với tụ C có giá trị đủ lớn. Phụ tải ba pha đối xứng Za = Zb, = Zc. có thể đấu hình sao hay tam giác. 0 V6 V5 V4 V3 V2 V1 600 1200 1800 2400 3000 3600 θ  θ   58 V1 V3 D1 V4V2 D4 D3 D2 C + _ E V5 D5 V6 D6 ZcZbZa Hình17: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha độc lập Để tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều ba pha có cùng biên độ nhưng lệch nhau một góc 1200 về pha, các van được điều khiển theo thứ tự cách nhau 600. Khoảng điều khiển dẫn của mỗi van có thể trong khoảng 1200 đến 1800. Để thuân tiện cho việc xây dựng hệ thông điều khiển góc điều khiển thường được chon các giá trị 1200, 1500, hay 1800. Ngày nay, nghịch lưu áp ba pha thường được dùng chủ yếu với phương pháp biến điệu độ rộng xung, đảm bảo điện áp ra có dạng hình sin. Để dạng điện áp ra không phụ thuộc tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha của mạch điện ba pha có thể điều khiển độc lập nhau. Vấn đề chính của biến điệu bề rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chủ đạo có biên độ bằng nhau chính xác và lệch pha nhau chính xác 1200 trong toàn bộ giải điều chỉnh. Điều này rất khó thực hiện bằng các mạch tương tự. Ngày nay người ta đã chế tạo các mạch biến điệu bề rộng xung ba pha dùng mạch số bởi các bộ vi xử lý, đặc biệt nhờ đó dạng xung điều khiển ra sẽ tuyệt đối đối xứng và khoảng dẫn của mỗi van sẽ được xác định chính xác, kể cả thời gian trễ của các van trong cùng một pha để tránh dòng xuyên giao giữa hai van. IA IB IC 59 Bài 3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1. Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng SCR 1.1. Điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha nửa bán kỳ Sơ đồ nguyên lý Do SCR chỉ dẫn ở bán kỳ dương của điện áp AC ngõ vào nên diode D1 dùng để chỉnh lưu bán kỳ dương lấy điện áp cấp cho cực G của SCR. Độ lớn của điện áp và dòng điện kích cho cực G phụ thuộc vào VR. Khi VR thay đổi thì dòng kích cho cực G thay đổi: nếu dòng kích tăng thì SCR dẫn mạnh và ngược lại. Khi SCR dẫn mạnh thì dòng điện qua bóng đèn tăng, bóng đèn sáng mạnh và ngược lại. 1.2. Điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha 2 nửa bán kỳ + Để thay đổi tốc độ của động cơ người ta thay đổi điện áp từ biến áp xung đưa vào chân G của SCR, dẫn đến thay đổi độ rộng xung kich vào cực G của SCR, từ đó thay đổi điện áp trung bình đặt lên tải. SCR C VR N R3 D P R2 D2 R4 60 + Khi thay đổi độ rộng của xung kích hay chính là thay đổi độ dẫn dòng của SCR hay chính là thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ và từ đó thay đổi tốc độ của động cơ Đ. 1.2. Điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha Sơ đồ nguyên lý 24V~ R2 C4 R6 C2 1091 C1 IC TCA7855 613 16 R1 R3 12 14 15 11 R5 R4C3 +12V D1 TR1-A R7 OUT1-A D2 +12VD3 R8 OUT2-C D4 T1 T2 a2 B2 c2 scr2scr1 M A B C scr5scr4 motor 3 pha VR2 VR3 scr3 scr6 A B C TR2-A R8 OUT2-A D4 IC TCA785 24V~ 24V~ IC TCA785 VR +12V 0V~ +12V 0V~ +12V 0V~ +12V VR1 +12V +12V +12V D1 TR1-b R7 OUT1-b D2 +12V D3 TR2-b R8 OUT2-b D4 +12V D1 TR1-c R7 OUT1-c D2 +12V D3 TR2-C 2. Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng Triac 2.1. Điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha Sơ đồ nguyên lý a B R2 C4 R6 C2 1091 C1 IC TCA7855 613 16 R1 R3 12 14 15 11 R5 R4C3 +12V D1 TR1-A R7 OUT1-A D2 +12VD3 TR2-A R8 OUT2-A D4 24V~ VR +12V 0V~ +12V VR1 T1 T2 a2 G T2 T1 triac m 220V~ 61 Sơ đồ nguyên lý mạch dùng Triac diode - Nguyên lý hoạt động: Xét nửa chu kỳ đầu của dòng điện xoay chiều giả sử dương P âm N, có dòng điện đi từ P qua ĐC qua VR nạp cho tụ C về N. Lúc này tụ C được nạp để tạo thời gian trễ cho góc mở của Triac. Sau khi tụ nạp đầy đến một giá trị điện áp thì có dòng qua D1 dẫn xung dương kích vào cực G của Triac. Triac dẫn dòng từ P qua ĐC qua T1 qua T2 của Triac về N nên động cơ ĐC quay. Ở nửa chu kỳ sau của dòng điện xoay chiều khi dương N âm P, có dòng kích mở đi từ N qua C qua VR qua ĐC về P. Lúc này tục C được nạp với chiều ngược lại . Sau khi tụ nạp đầy đến một giá trị điện áp thì có dòng qua D2 dẫn xung âm kích vào cực G của Triac. Triac dẫn dòng từ N qua T2 qua T1 qua ĐC về N nên động cơ ĐC quay. Tốc độ của động cơ ĐC phụ thuộc vào điện áp đặt lên cực G của Triac hay phụ thuộc vào việc điều chỉnh VR. Do đó khi điều chỉnh triết áp VR sẽ làm thay đổi tốc độ của động cơ ĐC. 62 Sơ đồ nguyên lý - Nguyên lý hoạt động: Xét nửa chu kỳ đầu của dòng điện xoay chiều giả sử dương P âm N, có dòng điện đi từ P qua động cơ ĐC qua R1 qua VR nạp cho tụ C về N. Lúc này tụ C được nạp với cực tính dương ở trên âm ở dưới . Khi tụ nạp đầy đến một giá trị điện áp lớn hơn ngưỡng mở của Diac thì Diac dẫn xung dương kích vào cực G của Triac. Triac dẫn dòng từ P qua ĐC qua T1 qua T2 của Triac về N nên động cơ ĐC quay. Ở nửa chu kỳ sau của dòng điện xoay chiều khi dương N âm P, có dòng kích mở đi từ N qua C qua VR qua R2 qua D về P. Lúc này tụ C được nạp với chiều ngược lại . Lúc này xung kích vào chân G của Triac là xung âm nên Triac dẫn dòng từ N qua T2 qua T1 qua ĐC về N nên động cơ ĐC quay Tốc độ của động cơ ĐC phụ thuộc vào điện áp đặt lên cực G của Triac hay phụ thuộc vào việc điều chỉnh VR. Do đó khi điều chỉnh triết áp VR sẽ làm thay đổi tốc độ của động cơ ĐC. 2.2. Điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha Sơ đồ nguyên lý 63 +12V VR1 +12V VR1 24V~ R2 C4 R6 C2 1091 C1 IC TCA7855 613 16 R1 R3 12 14 15 11 R5 R4C3 +12V D1 TR1-A R7 OUT1-A D2 +12VD3 TR2-A R8 OUT2-A D4 IC TCA785 24V~ 24V~ IC TCA785 VR +12V 0V~ +12V 0V~ +12V 0V~ +12V VR1 +12V D1 TR1-b R7 OUT1-b D2 +12V D3 TR2-b R8 OUT2-b D4 +12V D1 TR1-c R7 OUT1-c D2 +12V D3 TR2-C R8 OUT2-C D4 T1 T2 a2 B2 c2 triac1 T1 T2 triac2 T1 T2 triac3 T1 T2 M motor 3 pha A B C 64 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng mô đun “Lắp mạch điện tử công suất” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho mô đun Lắp mạch điện tử công suất thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Phạm Thị Huê Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)