Điện tử công suất 1 Chương hai Bộ chỉnh lưu

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 bị mạ, thiết bị 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 bị 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 Lb,Rb=0) u1 = Um.sinX u2 = Um.sin ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − 3 2πX (2.1) u3 = Um.sin ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − 3 4πX 2-1 Điện tử công suất 1 Với Um là biên độ áp pha Um = 2 .U ; U..... trị hiệu dụng áp pha . X = ω.t : giá trị 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 id 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 trị tức thời lớn nhất trong các pha tại thời điểm đang xét. Ví dụ: Trong khoảng ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ << 6 5 6 ππ X , giả thiết V2 đóng, V1 và V3 ngắt. Từ đó: uv2 = 0 và uv1 = u1 - u2. Theo hình vẽ H2.1: uv1 = u1 - u2 > 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 bị ngắt. Tương tự, giả thiết V3 dẫn trong khoảng này cũng không phù hợp . Kết quả: V1 dẫn trong khoảng ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 6 5 6 ππ , . Hệ phương trình mô tả trạng thái mạch : * ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ << 6 5 6 ππ X : V1 đóng, V2 và V3 bị ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch (u1, v1,RLE). uv1 = 0 ; iv1 = id uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0 (2.2) ud = u1 E dt diLiRu ddd ++= .. * ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ << 2 3 6 5 ππ x : V2 đóng, V1 và V3 bị ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch ( u2,v2,RLE ) uv2 = 0 ; iv2 = id uv1 = u1 - u2 ; iv1 = 0 ; uv3 = u3 - u2 ; iv3 = 0 (2.3) ud = u2 E dt diLiRu ddd ++= .. 2-2 Điện tử công suất 1 * 6 13 2 3 ππ << x : V3 đóng,V1 và V2 ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch: ( u3,v3,RLE ) uv3 = 0 ; iv3 = id uv1 = u1 - u3 ; iv1 = 0 ; uv2 = u2 - u3 ; iv2 = 0 (2.4) ud = u3 E dt diLiRu ddd ++= .. Dạng đồ thị 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 Tp = 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 trị trung bình Ud : UUXdXUU mmd ..sin πππ ππ π 2 63 2 33 3 2 1 3 2 6 6 === ∫ + (2.5) Trị trung bình dòng điện tải ở xác lập Id : Ud = R.Id + E ⇒ Id = R EUd − (2.6) - Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ. Do đó trị trung bình dòng qua diode: 3 3 2 1 3 2 6 6 d TTAV IdXiI == ∫ + ππ ππ . (2.7) Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode bằng biên độ áp dây URWM= 3 .Um (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 V1 ,V2 ,V3 ,V1 ...... 2-3 Điện tử công suất 1 Giả thiết V3 dẫn điện và ta muốn kích đóng V1 . Muốn vậy ta xét dấu điện áp trên V1 theo hệ thức : uv1 = u1 - u3 + uv3 = u1 - u3 (do uv3 = 0) Do u1 - u3 > 0 (tức có áp khoá trên V1) khi 6 7 6 ππ << X nên V1 sẽ đóng nếu ta thực hiện đưa xung kích đóng nó trong khoảng này. Gọi Xα là vị trí xung kích đưa vào V1 và α là góc cho bởi: α = Xα - 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 vị trí có góc điều khiển α , V1 đóng nên : uv1 = 0. Trên V3 xuất hiện điện áp ngược đặt trực tiếp giữa anode-cathode : uv3 = u3 - u1 < 0 nên V3 ngắt. Dòng điện tải khép kín qua mạch ( u1 , V1 ,RLE ). Các phương trình mô tả mạch lúc V1 dẫn có dạng: uv1 = 0 ; iv1 = id uv2 = u2 - u1 ; iv2 = 0 ; uv3 = u3 - u1 ; iv3 = 0 E dt diLiRu ddd ++= .. (2.10) Tương tự , ta phân tích các quá trình kích đóng V2 ,V3. 2-4 Điện tử công suất 1 Dòng điện qua V3 bị ngắt do tác dụng điện áp nguồn xoay chiều (u3-u1) 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 Tp trên tải bằng Tp = T/3. - Trị trung bình áp chỉnh lưu trên tải ( ) απ=απ=π=α ∫ π+α π+α cos.U. 2 63cosU 2 33XdXsinU 3 2 1U m6 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 Ud sẽ có độ lớn nằm trong khoảng: UUU d .. ππ 2 63 2 63 +<<− (2.12) - Khi điện áp trên tải có trị 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 nghịch lưu . - Định mức linh kiện: - Mỗi thyristor dẫn điện trong 1/3 chu kỳ áp nguồn do đó trị trung bình dòng qua nó ITAV = 3 dI . (2.13) Điện áp khóa và áp ngược lớn nhất có thể xuất hiện trên linh kiện có độ lớn bằng: UDRM = URRM = U.6 (2.14) Ví dụ 2.1: Bộ chỉnh lưu mạch tia 3 pha điều khiển mắc vào tải chứa R = 10Ω , E=50 V và tải rất lớn làm dòng tải liên tục và phẳng. Áp nguồn xoay chiều 3 pha có trị hiệu dụng U=220 V. Mạch ở trạng thái xác lập. a. Tính trị 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 trị trung bình dòng qua mỗi linh kiện d. Tính trị 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: Ud( )α = απ cos..U2 63 Thay U= 220 [v], α = 3 π [rad], ta thu được Ud( )α = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 3 220 2 63 π π cos.. = 128,6 [V] Mạch ở trạng thái xác lập nên ta có: Ud = RId + E , hay Id = R EUd − Thay Ud = 128,6 [V]; E = 50 [V]; R= 100[ ]Ω ta có kết quả: Id = ][, , A877 10 506128 =− b. Do dòng tải phẳng nên ta sử dụng hệ thức tính công suất trung bình sau: Pd = Ud. Id hay Pd =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: ITAV= Id / 3 =7,83 / 3 =2,62 [A] d. Từ dạng đồ thị dòng qua pha nguồn của bộ chỉnh lưu, ta có trị hiệu dụng dòng I: I = 3 dI I = 4,54.[A] e. Hệ số công suất của nguồn λ λ = S P với P = 1 2π ∫ ⎟⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++π2 0 332211 dXiuiuiu Nếu bỏ qua công suất tổn hao trên linh kiện, ta có: P = Pd =1010,8 W=1,01kW Công suất biểu kiến của nguồn S = Ú1I1+ Ù2I2+ U3I3= 3U1I1 với : U1=U=220 V ; I1=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 trị 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 trị 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 trị 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 πα = [rad]. Giải: Phân tích: giả sử lúc đầu dòng qua tải bằng 0. Ta có : Ud = R.Id + E =E Khi 0 < X< 3 πλ = Tai X =α, uv1 =u 1 0421950 3 2220 3 >=−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ][,sin Vud ππ là áp khóa, lại có xung kích (IG1 >0) nên V1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u 1,V1,RE). Lúc đó: uv1 =0 và ud = -uv1 + u1 = u1 iv1 =id = R Eu R Eud −=− 1 Dòng V1 sau đó giảm về 0 tại X= X1 khi u1 =E iv1(X1) =0 ⇒ iv1 bị ngắt. Dòng tải id bị gián đoạn (trạng thái 0), phương trình mô tả mạch: id =0 ud = E = 50 V Trạng thái 0, kéo dài đến khi V2 được kích. Hiện tượng đóng và ngắt dòng qua V2 diễn ra tương tự như đối với V1. Từ đồ thị minh họa các quá trình trên hình H2.3, ta có: a. Trị trung bình điện áp chỉnh lưu Ud. Do dòng tải id bị gián đoạn nên ta không áp dụng công thức tính Ud của trường hợp dòng liên tục được. Ta có: 2-7 Điện tử công suất 1 ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +== ∫ ∫∫ + +++ 1 16 6 5 6 5 6 2 3 3 2 1 X X mdd dxExdxUdxuU πα παπα απ ππα .sin. ( ) { }⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −++⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += 11 6 5 62 3 XEXUU md παπαπα coscos { ( ) } V472 982 6 5 3 50982 63 2220 3 2 , ,,coscos. = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −++⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += πππππ Trị trung bình dòng tải ở xác lập: A R EUI dd 24210 50472 ,, =−=−= b. Công suất trung bình trên tải: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −π= − π= π= ∫ ∫∫ ∫ π+α π+απ+α π+α π+α 1 11 X 6 X 6 d 2 dX 6 d dd 6 5 6 ddd dxu. R Edx R u 2 3dx. R Eu.u 2 3P dxi.u 3 2 1P Thay X1 =2,98 [rad], xurad d sin],[ 22203 == πα 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 udA , udK 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 id liên tục. Theo phép cộng điện áp, ta có: 2-8 Điện tử công suất 1 ud = udA - udK Ta sẽ chứng minh rằng nếu dòng tải liên tục, điện áp udA sẽ chỉ phụ thuộc vào góc kích đóng của nhóm linh kiện ( V1 ,V3 ,V5 ) và điện áp nguồn ; và áp udK phụ thuộc góc kích đóng của nhóm (V2 ,V4 ,V6 ) Thật vậy, xét nhóm anode (V1 ,V3 ,V5 ), giả sử rằng V1 đóng và V3, V5 bị ngắt, ta có: iV1 = id ; iV3 = 0 ; iV5 = 0 uV1 = 0 ; uV3 = u2 - u1 ; uV5 = u3 - u1 ; udA = u1 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 udA, ta chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng của các thyristor (V1 ,V3 ,V5 ). Các hệ thức mô tả điện áp nhóm anode có dạng giống như mạch chỉnh lưu tia ba pha với áp chỉnh lưu udA, (hình H2.5). Góc điều khiển α ví dụ của V1, được tính từ vị trí xuất hiện áp khóa trên V1 tức uv1 = u1 - u3 > 0 Tương tự, hoạt động nhóm cathode có thể phân tích dưới dạng chỉnh lưu mạch tia ba pha với áp chỉnh lưu udK. Góc điều khiển, ví dụ của V2 được tính từ vị trí xuất hiện điện áp khoá trên V2, tức là: uV2 = u2 - u3 > 0 Phương trình điện áp tải và dòng tải: ud = udA - udK E dt diLi dd ++ .Rud = . Tổng hợp các kết quả phân tích ở trên, ta có thể viết phương trình mô tả trạng thái mạch, ví dụ khi V1 ,V2 đóng : uV1= 0 ; uV2 = 0 ; uV3 = u2 - u1 ; uV4 = u3 - u1 iV1 = id ; iV2 = id ; iV3 = 0 ; iV4 = 0 uV5 = u3 - u1 ; uV6 = u3 - u2 iV5 = 0 ; iV6 = 0 ud = udA - udK = u1 - u3 E dt diLiRu ddd ++= .. (2.15) Đồ thị 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 V2 bắt đầu trạng thái (V1V2). Nếu dòng điện tải liên tục, việc kích V2 sẽ làm cho nó dẫn điện. Nếu dòng điện tải ở trạng thái gián đọan, việc đưa xung kích cho V2 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 V2 thành công, xung kích phải được đưa đồng thời cho cả V1. Như vậy, V1 được kích lập lại. Tương tự khi khảo sát việc chuyển mạch giữa các linh kiện còn lại. Trình tự kích V1V2,..V6 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 Tp = 6 1 T (2.16) Trị trung bình điện áp chỉnh lưu: ( ) ( ) ( ) απ=α−α=π=α ∫ π+ cosU33UUdXu 6 2 1U m6 2x x dKdAdd 0 0 απ=α cos.U 63)(Ud (2.17) với U là trị hiệu dụng điện áp pha U = 2 mU - 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): Id = R EUd − Mỗi thyristor dẫn điện trong 1 3 chu kỳ áp nguồn nên trị trung bình dòng điện qua nó: 2-10 Điện tử công suất 1 ITAV = 3 dI (2.19) Điện áp khóa và áp ngược cực đại xuất hiện trên linh kiện UUUU mRRMDRM 63 === . (2.20) - Dòng điện qua nguồn điện áp, ví dụ qua pha 1: i1 = iV1 - iV4 Tri hiệu dụng dòng điện qua nguồn được xác định với giả thiết dòng tải không đổi: d2 12 0 2 1 I.3 2]dX.i 2 1[I =π= ∫ π (2.21) Bằng cách phân tích Fourier dòng điện qua nguồn cho trường hợp góc kích 0=α , ta xác định biểu thức dòng điện qua pha thứ nhất: ....)t13sin 13 1t11sin 11 1t7sin 7 1t5sin 5 1t.(sinI32)t(i da −ω+ω+ω+ω+ωπ= (2.22) Kết quả cho thấy dòng điện qua nguồn bao gồm ngòai thành phần cơ bản còn có các sóng hài bậc 6k 1, k=1,2,3… ± Các thành phần sóng hài dòng điện gây ra nhiều ảnh hưởng bất lợi trong 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. Xác định góc kích để dòng tải trung bình bằng 50A Giải: Trị trung bình áp tải: Ud=R.Id=50.10=500V Góc kích: 0539 48023 500 23 , . .cos . .cos = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= α ππα ar U Uar L d 2-11