Bài giảng Điện tử công suất - Chương 4, Phần 1: Biến đổi điện AC một pha

11 CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ĐIỆN AC MỘT PHA o GIỚI THIỆU o BIẾN ðỔI AC MỘT PHA 1. ðiều khiển toàn chu kỳ 2.ðiều khiển pha 3. Tương quan giửa góc kích và góc dẫn 11:41 AM 2 GIỚI THIỆU Bộ điều khiển điện thế AC hay còn gọi là bộ điều thế AC, dùng chuyển đổi nguồn điện AC cố định thành nguồn điện AC thay đổi. Tần số ngõ ra bằng tần số ngõ vào. 11:41 AM 3
BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THẾ AC MỘT PHA THƯỜNG DÙNG HAI KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN NHƯ SAU: • ĐIỀU KHIỂN ON – OFF • ĐIỀU KHIỂN PHA
ĐIỀU KHIỂN PHA CÓ HAI DẠNG: ĐIỀU KHIỂN BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐỐI XỨNG BIẾN ĐỔI ĐIỆN AC MỘT PHA 11:41 AM 4 1. Sơ đồ nguyên lý Mạch điều khiển điện thế AC cho tải là dùng công tắc AC. Công tắc AC có thể là 1 Triac hay 2 SCR mắc đối song như hình vẽ hoặc linh kiện giao hoán 2 chiều. Điều khiển toàn chu kỳ thích hợp với các hệ thống có thời hằng lớn như hệ thống điều khiển nhiệt độ. 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ S2 Tải S1 U1 T U1 Tải 11:41 AM 25 ui t toffton T t uo 1. Dạng sóng vào ra 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 6 ui t toffton T t uo 1. Dạng sóng vào ra 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 7 ui t toffton T t uo 1. Dạng sóng vào ra 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 8 ui t toffton T t uo 1. Dạng sóng vào ra 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 39 ui t toffton T t uo 1. Dạng sóng vào ra Mạch điều khiển toàn chu kỳ như hình vẽ khi có góc kích α=0 sẽ cho điện thế AC tác động vào tải và khi không có góc kích hiện diện sẽ cắt nguồn AC khỏi tải. 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 10 Điều khiển toàn chu kỳ hay còn gọi là on– off. Công suất tải được điều khiển bằng cách nối nguồn vào tải trong 1 số chu kỳ và tiếp đó cắt nguồn ra khỏi tải trong 1 số chu kỳ khác và lặp lại chu kỳ giao hoán đó như hình vẽ. Nhưng cách điều khiển giao hoán này không thích hợp với tải có thời hằng bé 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 11:41 AM 11 1. ĐIỀU KHIỂN TOÀN CHU KỲ 1. Tính toán • Công suất trung bình ra trên tải: • Điện thế hiệu dụng ngõ ra: • Công suât chuẩn hóa: • Hệ số công suất: DPD R V T t R V P O ioni OAV max 22 === DV T tV V iRMS onM ORMS == 2 T t D P P P on O OAV N === max D T t P P S P pF on O OAV ==== max 0 11:41 AM 12 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ nguyên lý D2 Tải U1 S1 S2 TảiU1 D1 Dạng 1 (VAV0) 11:41 AM 413 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 1 u iG1 tω tω 11:41 AM 14 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 1 u α iG1 tω tω 11:41 AM 15 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 1 u α iG1 tω tω 11:41 AM 16 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 1 u α iG1 tω tω 11:41 AM 517 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 1 ( ) 01cos 2 1 ≤−= α π MAV VV u U Tải α iG1 tω tω 11:41 AM 18 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 2 u iG2 tω tω 11:41 AM 19 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 2 u U Tải iG2 tω tω 11:41 AM 20 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 2 u U Tải α iG2 tω tω 11:41 AM 621 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 2 u U Tải α iG2 tω tω 11:41 AM 22 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ sóng ra dạng 2 ( ) 0cos1 2 1 ≥−= α π MAV VV u U Tải α iG2 tω tω 11:41 AM 23 oĐiều khiển bất đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ nguyên lý u UTải α iG1 D2 TảiU1 S1 tω u UTải α iG2S2 TảiU1 D1 tω tω tω Dạng 1 (VAV<0) Dạng 2 (VAV>0) ( ) 01cos 2 1 ≤−= α π MAV VV ( ) 0cos1 2 1 ≥−= α π MAV VV 11:41 AM 24 • Mạch gồm 1SCR và 1diode mắc đối song. • Do đó mạch biến đổi điện AC cho phép biến đổi không đối xứng nên điện thế ra ở tải sẽ có giá trị trung bình. • Tùy theo vị trí của diode mà giá trị trung bình điện ra có thể âm hoặc dương. 2. ĐIỀU KHIỂN PHA 11:41 AM 725 •Tính toán cho tải • Hiệu điện thế trung bình: • Hiệu điện thế hiệu dụng ngõ ra: • Công suất hiệu dụng ở tải: • Hệ số công suất: 2. ĐIỀU KHIỂN PHA ( ) 01cos 2 1 ≤−= α π MAV VV ( ) 0cos1 2 1 ≥−= α π MAV VV R V I AVAV =⇒       +−= π α π α 4 2sin 2 1 2 M RMS V V R V I ORMSORMS =⇒ khiIVP RMSRMSRMS = R V P MRMS 2 0 2 =⇒=α       +−= π α π α 4 2sin 2 1pF 11:41 AM 26 •Tính toán cho 1SCR hay Diode • Dòng trung bình cho một linh kiện: • Dòng cực đại cho 1 linh kiện: • Hiệu điện thế ngược cực đại đặt lên 1 linh kiện: • Dòng hiệu dụng qua mỗi SCR: 2. ĐIỀU KHIỂN PHA BKCLAVSCRAV II 1_1_ = SCRAVDIODEAV II 1_1_ =⇒ R V III MTAIMDIODEMSCRM === _1_1_ MDIODERMSCRRM VVV == 1_1_ Góc kích bằng 0 2 )( RMS SCRRMS I I = 11:41 AM 27 oĐiều khiển đối xứng 2. ĐIỀU KHIỂN PHA • Sơ đồ nguyên lý S2 Tải S1 U1 T U1 Tải U1 D1 S1 S2 D2 Tải D2 S U1 D1 D3D4 Tải 11:41 AM 28 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 829 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 30 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 31 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 32 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 933 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 34 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 io vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 11:41 AM 35 u ωt 6 π 3 π 2 π0 3 2π 6 5π π 6 7π 3 4π 2 3π 3 5π 6 11π π2 io Mỗi SCR dẫn trong thời khoảng (π−α) của mỗi bán kỳ, do đó ta có thể xem như các SCR dẫn từ α đến π trong chu kỳ mới là π. vo 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R S1 S2 S1 VRMS 11:41 AM 36 •Tính toán cho tải • Hiệu điện thế hiệu dụng ở tải: • Dòng hiệu dụng tải: • Công suất hiệu dụng ở tải: • Hệ số công suất: 2. ĐIỀU KHIỂN PHA π α π α 2 2sin 1 2 +−= MRMS V V π α π α 2 2sin 1 2 +−== R V R V I MRMSRMS       +−=== π α π α 2 2sin 1 2 2 2 2 R V RI R V P MRMS RMS RMS π α π α 2 2sin 1 +−=pF 11:41 AM 10 37 •Tính toán cho 1SCR • Dòng trung bình cho 1SCR: • Dòng cực đại cho 1SCR: • Hiệu điện thế ngược cực đại đặt lên 1SCR: • Dòng hiệu dụng qua mỗi SCR: 2. ĐIỀU KHIỂN PHA R V III MTAIMDIODEMSCRM === _1_1_ MDIODERMSCRRM VVV == 1_1_ 2 )( RMS SCRRMS I I = ( ) ( )απ ωω π π α cos1 2 sin 2 1 +== ∫ R V ttd R V I MMSCRAV 11:41 AM 38 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải L tω1β 2β iG1 iG2 α1 α2 α3π i uu U1 A1 A2 S1 S2 iL ULL tω tω • Trong bán kỳ dương, nếu có xung kích tại góc kích α thì SCR1 dẫn ta có phương trình: ( ) tV dt di Ltv M ωsin== ( ) ( )t L V t L V L V ti MMM ωα ω ω ω α ω coscoscoscos −=−= 11:41 AM 39 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải L • Vậy để có dòng qua SCR1 dương là: α < ωt < 2π−α, góc kích phải chọn: β βα < Utải i α β1 β βα > i α α2 Utải 2 π α > • Dòng điện hiệu dụng qua tải: ( )( ) π αααπ ω 2 2sin32cos22 ++− = L V I M RMS 11:41 AM 40 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải R-L tω1β 2β tω tω • Vì mỗi SCR dẫn trong thời khoảng α≤ωt≤β, cách giải tương tự như ở chương 2 và có các kết quả sau: iG1 iG2 α1 α2 α3 π i uu U1 A1 A2 S1 S2 iL UL R L ( ) ( ) ( ) ( )       Φ−−Φ−= −− αω ωαω t L R M et Z V ti sinsin 11:41 AM 11 41 2. ĐIỀU KHIỂN PHA oĐiều khiển đối xứng tải L • Góc dẫn γ=β−α phải nhỏ hơn π để cho SCR1 ngưng dẫn trước khi kích SCR2 tại ωt=π+α. Trong biểu thức liên hệ trên cho γ=β−α>π thì α<Φ. Do đó ta kết luận rằng α≥Φ; β βα > i α α2 Utải β βα = i α1 α2 Utải β βα < Utải i α β1 Φ=minα 11:41 AM 42 3. TƯƠNG QUAN GIỬA GÓC KÍCH & GÓC DẪN o Tương quan α và Φ để xác định γ • Hiệu điện thế hiệu dụng qua tải: • khi góc kích α trong khoảng π/2 đến π:2 π π 0=Φ 2 π =Φ γ 0 α       −−= π βαγ 2sin2sin2 2 M RMS V V 2 1 2 cossin 6 2 1 cos14 2       +      +      −= αα π α π α R V I MRMS 11:41 AM 43 3. TƯƠNG QUAN GIỬA GÓC KÍCH & GÓC DẪN o Đặc tính đk α theo trị số điện áp tải: Sóng hài từ bậc 1 đến bậc 7 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 30 60 90 120 150 180 U α U1 U3 U5 U7 U ϕ = 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 30 60 90 120 150 180 U α U U3 U5 U7 U1 ϕ = 450 11:41 AM 44 3. TƯƠNG QUAN GIỬA GÓC KÍCH & GÓC DẪN o Biến thiên công suất theo góc mở: Ba loại công suất so góc mở α 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 30 60 90 120 150 180 U α P Q S ϕ = 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 30 60 90 120 150 180 U α S P Q ϕ = 450 11:41 AM 12 45 BIẾN ðỔI AC BA PHA TẢI MẮC SAO 11:41 AM