Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu và hệ quả

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 trị Pd=Ud.Id, điều kiện của chế độ chỉnh lưu là Pd≥ 0. Do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghĩa Ud ≥ 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: 20 πα ≤≤ . Các bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần, điều kiện để Ud>0 xảy ra với góc kích nằm trong phạm vi πα ≤≤0 . Tải tiêu thụ công suất Pd>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 nghịch 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 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 Ud ≤ 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 παπ ≥≥ . Đối với các bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần, điều kiện để Ud<0 không thể xảy ra với mọi giá trị của góc kích. Do đó chế độ nghịch lưu của bộ chỉnh lưu không thực hiện được với bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần. Tải chỉ phát ra công suất Pd<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 thị 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 nghịch 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 thị điện áp chỉnh lưu trên tải. Ta thấy, quá trình điện áp tải ud thay đổi liên tục theo đường cosin khi chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch 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 trị hiệu dụng 220V, f=50Hz. Tải RLE với R=1Ω , giả thiết dòng điện tải liên tục với L lớn vô cùng làm dòng tải phẳng với độ lớn Id=20A. Cho biết góc điều khiển , 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. 0120=α Giải Đồ thị 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.. VUd 99120220 22 0 −== π Sức điện động E xác định theo hệ thức: Ud=R.Id+EỈ E=Ud-R.Id=-99-1.20=-119[V] Công suất phát ra từ tải: PE=E.Id=-119.20=-2380W=-2,38kW Công suất tiêu hao trên điện trở: PR=R.Id2=1.202=400W=0,4kW Công suất nguồn ac cung cấp: Pac=Ud.Id=-99.20=-1.980W=-1,98kW Dấu (-) có nghĩa 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 )( 20 πα ≤≤ và )( παπ ≤≤2 . Khi nào tồn tại chế độ nghịch 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 )( 20 πα ≤≤ , 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 trị 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 )( παπ ≤≤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 dòng điện 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 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, trị 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 nghịch lưu trong thời gian quá độ ngắn, chế độ nghịch lưu không thể tồn tại ở chế độ xác lập. Ở trường hợp b/-, có thể thấy rằng chế độ nghịch lưu có thể thiết lập với giá trị góc kích thỏa mãn điều kiện: 022 <+== ).(cos. EIRUU dd απ Ở trường hợp c/-, điều kiện 012 <+=+= ).()cos.( EIRUU dd απ 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 rất 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 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 ud tạo thành có dạng xung nên giá trị điện áp này có thể tách làm hai thành phần: thành phần một chiều với trị tức thời bằng trị trung bình áp chỉnh lưu Ud và thành phần xoay chiều : udσ = ud - Ud 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 làm 2 thành phần tương ứng: id = Id + idσ 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 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 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 id = 0 (hình H2.23) ud=0 nếu E = 0 ud = E nếu E ≠ 0 Các hệ thức Ud 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 (id >0) và thời gian dòng gián đoạn ( id = 0) trong một chu kỳ xung điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào các giá trị 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<t1) sang chế độ dòng tải triệt tiêu (t1<t<t2), khi đó áp trên tải bằng E. Trong khoảng thời gian t>t2, 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 trị áp nguồn xoay chiều và sức điện động E. Dòng điện tải trung bình có giá trị 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 định 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 vị trí góc kích , xung kích đóng V làm mạch khép kín qua tải. Phương trình mạch điện sẽ là: α ud=u; dt di.Li.Ru ddd += 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 Larctan ω=θ ; R L=τ Hằng số A xác định từ điều kiện ban đầu 0)(i d =α . Từ đó: ωτ α ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ θ−α−= e.)sin(. Z UA 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 định 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 U0)(i md Nghiệm (β ) của phương trình có thể giải bằng phương pháp số. Góc ( ) gọi là khoảng dẫn của thyristor. α−β Trị 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 Udx.xsin.U 2 1U mmd β−απ=π= ∫ β α Trị trung bình dòng điện tải chỉnh lưu: dx).x(i 2 1I dd ∫ β απ = Trị hiệu dụng dòng điện qua nguồn bằng với trị hiệu dụng dòng qua linh kiện và qua tải có thể xác định theo hàm tích phân sau: dx).x(i 2 1I 2drms ∫ β απ = 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 Earcsin và minα−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 định từ điều kiện dòng qua thyristor tắt: ωτ α ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +θ−α−= e. R E)sin(. Z UA 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 ud=E. Ví dụ 2.15: Bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha mắc vào tải thuần trở R = 10 Ω. Nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng áp pha bằng 220 V, ω =314 rad/s. Vẽ đồ thị và tính trị 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 πα = ] dòng qua tải liên tục (hình H2.27a) Trường hợp [rad 3 2πα = ] , dòng qua tải bị gián đoạn. Đồ thị các quá trình được vẽ trên hình H2.27b a/- ]V[78,241 9 cos.220. 2 63cos.U. 2 63Ud =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π π=απ= ]A[178,24 10 78,241 R UI dd === b/- ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π+α+π=π= ∫π α+π 6cos1.2U3dx.xsin.U. 3 2 1U m 6 md ]V[9,19 63 2cos1 2 220.23Ud =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π+π+π= ]A[99,1 10 9,19 R UI dd === 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 = 10Ω, 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 Eui dd −= Do đo,ù khoảng thời gian xuất hiện (ud - E) < 0 theo qui tắc dòng liên tục sẽ được thay bằng chế độ dòng gián đoạn id = 0. Áp tải lúc đó; ud = R.id +E = R.0 + E = E hay ud = 50 V Kết quả áp cho trên hình vẽ H2.28a khi 6π=α và H2.28b khi 2π=α Điện tử công suất 1 2-30 Ví dụ: Trong khoảng α<X<X1, V1V2 đóng, V3V4 ngắt: ud=u; id=(u-E)/R Trong khoảng X1<X<π+α: V1,V2,V3,V4 bị ngắt id=0; ud=R.id+E=E Với X1 là nghiệm phương trình: Um.sinX1=E Giải ra và chọn nghiệm X1=170,70 Dòng điện tải cho bởi R Eui dd −= Trị trung bình áp tải ∫∫ ∫ + + += = πα α πα α π π 1 11 1 X X dd dd dxEdxuU dxuU .. . Kết quả Ud=224 [V] khi 6π=α và Ud=257[V] khi 2π=α . Ví dụ 2.17 Cho bộ chỉnh lưu mạch cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải R. Góc điều khiển ( )rad 2 πα = Aùp nguồn u = 220 2 sin314t [V], R = 10 Ω. Tính Ud ,Id và công suất Pd . Giải : Trước hết, ta áp dụng qui tắc phân tích tổng quát bộ chỉnh lưu với dòng tải liên tục và xác định điện áp ud . Từ giá trị của áp ud , ta kiểm chứng nghiệm dòng id xem có thỏa mãn tính chất linh kiện không (id > 0). Nếu không thỏa mãn điều kiện dòng, thì khoảng xuất hiện dòng id < 0 không thể áp dụng qui tắc cho dòng liên tục được. Lúc đó, dòng tải gián đoạn id = 0 và ta xác định lại điện áp ud trong khoảng đó. Đối với tải R, vì R ui dd = nên rõ ràng dòng tải gián đoạn trong khoảng thời gian áp ud xác định theo qui tắc dòng liên tục có giá trị âm tức ud<0. Kết quả điện áp và dòng điện tải được vẽ trên hình H2.29 Điện tử công suất 1 2-31 Ví dụ: trong khoảng α<X<π: ud=u; id=u/R Trong khoảng π<X<π+α: id=0; ud=R.id=0 Trị trung bình áp tải : ][.. cos.sin. . V UxdxUU dxuU m md dd 99 2 0122022 2 121 1 =+= +== = ∫ ∫ + π α ππ π π α πα α Trị trung bình dòng tải : ][, A R UI dd 9910 99 === Công suất trung bình trên tải : ( ) dx. R sinU1dx R u1dxi.u1P 2 m 2 d ddd ∫∫∫ παπαπ+αα απ=π=π= Kết quả: W R UP md 24204 2 == Ví dụ 2.18 Cho bộ chỉnh lưu mạch cầu một pha điều khiển toàn phần. Áp nguồn u = 220 2 sin314t. Tải R=1 Ω, L = 0,01 H và E. Mạch ở trạng thái xác lập với góc điều khiển (rad 3 2πα = ) . Kết luận gì về trạng thái áp và dòng tải nếu : a./- E=150[V]>0 b/- E = - 150[ V] < 0 Giải: Ở trạng thái xác lập : Ud = R.Id + E Giả sử dòng tải liên tục , trị trung bình điện áp và dòng điện chỉnh lưu: ][cos.cos. VUUd 993 22202222 −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== ππαπ R EUI dd −= a/- Nếu E = 150 V AId 92410 15099 ,−=−−= 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<X<X1 dòng điện dẫn qua mạch (u,V1,RLE,V2): VEHLR E dt diLiRu tuu d dd d 1500101 3142220 ==Ω= ++= == ,., .. ).sin(. Điện tử công suất 1 2-32 với id(α)=0 X1 là góc tương ứng thời điểm dòng điện id đạt giá trị 0. Khoảng X1<X<α+π, dòng điện tải gián đoạn: id=0 ud=E=150V b/- Nếu E = - 150 V ( ) AId 1510 15099 ,=−−−= Do đó, dòng tải liên tục và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch 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. Dùng cảm kháng lọc. 4. Dùng diode không, mạch điều khiển bán phần. Ví dụ 2.19: 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: xsin.Uu md = và khi diode ngắt: Điện tử công suất 1 2-33 RC )x( md e).sin.U(u ω θ−−θ= Góc , tại vị trí dòng qua diode bị ngắt, được xác định theo hệ thức: θ π+ω−=ω−=θ )RCarctan()RCarctan( Điện áp lớn nhất trên tải bằng biên độ áp nguồn và điện áp nhỏ nhất xảy ra tại thời điểm ( ), ta có: α+π )sin(.Ue).sin.U( mRC )( m α+π−=θ ω θ−α+π− Từ đó: 0)sin(e).(sin RC )( =α+π−θ ωθ−α+π− Giá trị α cần xác định bằng phương pháp tính số. Độ chênh lệch giữa điện áp lớn nhất và nhỏ nhất điện áp tải bằng: )sin1.(U)sin(.UUU mmmd α−=α+π−=∆ Với các giá trị R, dU∆ cho trước, ta có thể xác định độ lớn tụ C. Thông thường: ;π>>ωRC 2π≈θ ; 2π≈α . Điện áp thấp nhất của tải có thể giả sử bằng giá trị áp tại thời điểm x= π . Ta có: Điện tử công suất 1 2-34 RC m RC/)2/2/( md e.Ue.U)(U ωπ−ωπ−π+π− ==α+π Từ đó: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ω π−−≈−≈∆ ωπ− ) RC 1(1.U)e1.(UU mRCmd RC.f.2 U RC U.U mmd =ω π≈∆ Dòng điện qua tải trong ví dụ trên có tính gián đoạn. Để cho dòng điện tải liên tục, cảm kháng lọc cần được sử dụng (hình H2.32). Trong trường hợp kết hợp với tụ C, mạch lọc LC được vẽ trên hình kèm theo. Việc chọn các giá trị 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 thị minh họa kết quả áp và dòng điện tải với hai giá trị khác nhau của cuộn kháng lọc.