BÀI5
Tên bài: Biến đổicôngsuấtcó điều khiển Mã bài: CIO011005
GIỚITHIỆU
Bàihọcnàytậptrungvềcácphươngphápbiếnđổicôngsuất(chỉnhlưu)cóthể thayđổiđượcđiệnáprarấtthôngdụngtrongcáclỉnhvực:Điệngiải,điềukhiểntốcđộ động cơ DC, xi mạ,...Trong hệ thốngnguồn nuôi một pha vàba pha.
Nộidungbàicònđềcậpchitiếtvềđặcđiểmcủatừngloạimạchcụthểthôngqua việckhảosátđiệnáp,dòngđiệntheocácloạitảikhácnhauđặcbiệtlàtảihổnhợptrở kháng.
MỤCTIÊUTHỰCHIỆN
Hiểuđượcnguyênlýcấutạovàhoạtđộngcủacácmạchbiếnđổiđiềukhiển bán phần
Hiểuđượcnguyênlýcấutạovàhoạtđộngcủacácmạchbiếnđổiđiềukhiển toàn phần
So sánh đượcđặcđiểm giửa các mạch nêu trên
Nắmđượcảnhhưởngcủacácloạitảiđếnphạmviđiềukhiển,điệnápvàdòng
điện ra của mạch biến đổi công suất.
Biếtcáchứngdụngcácmạchbiếnđổiphùhợptheolỉnhvựcvàyêucầuđiều khiển
NỘIDUNGCHÍNH
Nội dung bài họctập trung về các chủ đề chínhnhưsau:
Biến đổi công suất điềukhiển bán phần : Tải thuần trở, cãm kháng và trở kháng
Biến đổi công suất điềukhiển toàn phần
- Mạch cầu B2
- Mạch M3
- Mạch B6
Mạch biến đổi cầu điềukhiển bán phần
- Mạch cầu điều khiển bán phần đối xứng
- Mạch cầu điều khiển bán phần khôngđối xứng
- Mạch cầu 6 xung điều khiển bán phần
Khảo sát về công suất trong mạch biến đổi
- Công suất biểu kiến
- Công suất tác dụng
- Công suất phản kháng
Các biện pháp bù côngsuất phản kháng
Ảnh hưởng của công suất phản kháng trong hệthống
1.ĐẠICƯƠNG
Kểtừkhidiodeđượcứngdụngtrongcácmạchbiếnđổicôngsuấtthìkhôngcókhả năng nào có thể ảnh hưởng đến điện áp ra củamạch. Tuy nhiên, nếu thay thế diodebằng cácthyristorthìcóthểthiếtlậpđượcquanhệgiữađiệnápramộtchiềuvớigóckíchcủa
thyristor và đượcgọi làbộ biến đổicông suất điều khiển được.
Trongtrườnghợpmạchchỉnh lưu cầucũngcóthểthaythếmộtnữasốlượngdiode bằng thyristor. Do đó, đặc tính của các mạch biến đổi công suất sau đây sẻ phụ thuộcvào cácdiodecótrongmạch.Cácmạchnàyđượcchialàmhailoại:Điềukhiểnbánphầnvà điều khiển toàn phần.
Đốivớitấtcảcácmạchbiếnđổi,thờiđiễmkíchthyristorđượcđặctrưngbởigóc kíchá.GiátrịtrungbìnhcủađiệnápDCtạingỏrađượckýhiệulàUdá.Khiá=00 đặc tính mạch giống nhưmạch biến đổicố định (hình 4.21), điệnáp tạiá= 00ký hiệulàUd0.
Nếucácthyristorđượckíchtrểhơn(á >00),điệnápDCngỏraUdá củamạchsẻ
giãm xuống
Dođặctínhcủathyristorchỉtrởvềtrạngtháitắtkhidòngchảyquanónhỏhơn dòng duy trì nên tính chất của tải cũng ảnh hưởng đến điện áp ra Uda
Vìvậytrongcácphầnsauđâysẻnghiêncứumạchbiếnđổivớitảiđiệntrở,điện cãm và tải hổn hợp
2.BIẾNĐỔICÔNGSUẤTBÁNPHẦN
2.1Đạicương
Đểdểhiểuvềbộbiếnđổiđiềukhiểnđược,quátrìnhkhảosátsẻtậptrungvềloại mạch điều khiển bán phần nhưng trong thựctế loại này không quan trọng lắm
2.2 Biến đổibánphần tải thuầntrở
Sơđồcơbảnđượctrìnhbàytronghình5.1vàcũngđãđượcgiớithiệuởbàicông tắcđiệntử.Dothyristorchỉcóthểđượckíchởbánkỳdươngcu8ảđiệnápDCnêntrên tảicũngxuấthiệnđiệnápdương.Trongtrườnghợplýtưởng,diệntíchđiệnáp/góckích có thể đượcđiều chỉnh từ0 tại á= 1800cho đếntoàn bộ bánkỳ dương tạiá= 00
Hình 5.1 Biếnđổi công suấtđiều khiểnbán phần M1
2.2.1Khảosátđiệnáp
Vớimạchđiệnmôtảtronghình5.1cũngnhưvớitấtcảcácmạchbiếnđổicông
suấtđiềukhiểnđược,điệnápraDCUdá làmộthàmtheogóckíchávàđượcbiểudiển theo công thức sau
⎛ 1+ cosα⎞
Udα=Ud0⎜
⎝
⎟ với Ud0= 0,45 U
2 ⎠
Khigóckíchá=00,quanhệtrongphần2.2củabài4cũngápdụngđượctrong trường hợp này
U Ud0
=2,22
Từphạmvigóckíchchophép,hình5.2trìnhbàyhaitrườnghợpá =450 và á
=1350
Nếuá=1800 thìmạchkhôngthểkíchđượcvìgiátrịtứcthờicủađiệnáp xoay chiềulúcnàybằng0.Khiá>1800,mạchcũngkhôngkíchđượcvìđiệnápanodecủa
thyristor âm hơn cathode trong suấtkhoảng thờigian bán kỳ âm, do đó thyristor sẻ tắt
2.2.2Khảosátdòngđiện
Trongtrườnghợptảithuầntrở,mỗikhithyristorđượckích,điệnápvàdòngđiện trêntảiluônđồngphavớinhau.Vìdòngđiệnlớnnhấtkhiá=00 giốngnhưtrongmạch chỉnh lưu nên việc tính chọn van có thể theo công thức sau
I
Id0
=1,57
Đốivớicácmạchbiếnđổicôngsuấtcóđiềukhiểnkhác,dòngđiệntạiá=00 cũng bằng với dòng điện của mạch biến đổi công suấtcố định
Hình 5.2
a) Điệnáp vào hình sin U
b) Điệnáp ra Udá tại á =450vàá =1350
c) Điệnáp UAKtrênthyristor
2.2.3Đặctínhđiềukhiển
Đồthịbiểudiểntỉsốđiệnáp trình bày ở hình 5.3
Udá
Ud0
làmộthàmtheogóckíchácủamạchM1được
Hình 5.3Đặc tính mạchbiến đổi điều khiển bán phần tải thuần trở
2.2.4Ví dụ
Mạch biến đổi công suấtđiều khiểnbán phần với U = 220 V và á = 1200
Khi á= 1200, giá trịcos1200= -0,5,điện áp một chiều Udá được tính nhưsau :
⎛ 1+ cosα⎞
Udα=Ud0⎜
⎝
⎟
2 ⎠
⎛ 1+ cos1200⎞
Ud120= 0,45xU⎜ ⎟
2
⎜ ⎟
⎝ ⎠
⎛ 1+ (− 0,5) ⎞
=0,45x220V⎜ ⎟
⎝ 2 ⎠
⎛ 1− 0,5⎞
=99V⎜ ⎟
⎝ 2 ⎠
Ud120= 24,75U
Với Ud0= 99 V, suy ra
Ud120
Ud0
24,75V
=
99V
=0,25
2.3 Biến đổicôngsuấtđiều khiển bán phần tảiđiện cãm
Hình 5.4 Sơ đồmạch biến đổi M1 tải thuần cãm
2
1
Mặtkhác,cáctảithuầncãmcóđặctínhtíchtrửnănglượng(WMagn= LI ),chúng
2
sẻtrảlạinănglượng.Điềunàycónghĩalàthyristorvẩntiếptụcdẩnđiệnngaycảkhiđiện ápđảocựctínhvàtrởthànhâm.Nănglượngtíchtrửtạoramộtđiệnápcãmứngcao trongđiệncãmđểduytrìdòngđiệntheochiềutrướcđóchođếnhếtnănglượngtừ trường.Vìcuộncãmlýtưởngcóthờigiannạpvàphóngbằngnhaunênkhiá=00sẻcó dòngđiệnchảytrongsuốtchukỳT.Vanvẩnduytrìtrạngtháidẩnvàlúcnàytrêntảixuất hiện 1 điệnáp xoay chiều Udá có giá trịluôn bằng 0
Hình 5.5Điệnáp và dòng điện trong mạchbiến đổi M1 tải điện cam tại á =00và á =900
a) Điện áp vào xoaychiều c) Dòng tải
b)Điện áp raDC d)Điện áp trênvan
2.4 Biến đổicôngsuấtbánphần tải trởkháng
L
Loạitảinàycó
0p p∞
R
vàrấtthườnggặptrongcácmạchbiếnđổicôngsuất,
L
đặctínhcủachúnglàmộthàmtheo
τ= làtrunggiangiữahailoạitảiđãkhảosátở
R
mục2.2và2.3,khácvớitảithuầntrởdòngđiệnId trongtrườnghợpnàykhôngthểđột ngộtbằng0docóthànhphầncãmkháng. Tươngtự,cũngsẻxảyra sựkhôngbằngnhau giữahaidiệntíchđiệnáp/góckíchdươngvàâmnhưlàmộthàmtheogóckíchá.Hai trường hợp này được mô tả trong hình 5.6 tại á= 450và á=900
3.BIẾNĐỔICÔNGSUẤTTOÀNPHẦN
3.1Đạicương
Trongsơđồbiếnđổicôngsuấttoànphầntấtcảcácvanđềuđượcđiềukhiển.Điện
ápraDClàhàmcủađiệnápngỏvào,loạitảivàgóckíchá.Đểhiểurỏchứcnăngtrong
phầnsausẻkhảosátriêngrẻcácmạchB2,M3vàB6.Đểlàmnhưthếthìmỗikhigóc kích đượcxácđịnh, nóphải giống nhau ở mỗi van trong mạch
Tải có thành phần cãm
kháng nhỏ,á = 450
Tải có thành phần cãm
kháng nhỏ,á = 900
Hinh5.6 Điện áp và dòng điện trong mạchM1 tảitrở kháng
3.2 Mạchbiến đổicầu điều khiểntoànphần(B2)
3.2.1Đạicương
Khikhảosátmạchbiếnđổicôngsuấtcốđịnhđãchothấymạchcầulàdạngmạch rấtthườngđượcxửdụng.Ưuđiễmtrướctiêncủachúnglàcóthểnốitrựctiếpvàolưới
điện,thứhailàchophéptậndụngđượcbiếnápghépnốitiếp.Tuynhiên,trongcông nghiệpmạchB2chỉđượcdùngchocôngsuấtđến10KWdotảiứngdụngcủamạchnày tronghệthống3phalàkhôngđốixứng.Tuynhiên,mạchB2rấtthườngđượcứngdụng trong lỉnh vực giao thôngtrong hệ thống điện 1 pha với công suất lên đếnhàng MW.
NguyênlýhoạtđộngcơbảncủamạchB2đãđượctrìnhbàyởcácbàitrước.Trong hình5.7giớithiệulạitừngbướctừcáchghépnốitiếphaimạchM2đểtạothànhmạch
B2.
TrongmạchB2dùng4thyristorluôncóhaithyristordẩnđiệncùnglúcđểcungcấp dòngđiệnchảyngangquatảiđólàhaithyristorđốidiệnquađườngchéotronghình5.7c điềunàycónghĩalàhaithyristorphảiđượckíchdẩnđồngthờivớinhau.Tronghình5.7c haithyristorV1vàV2dẩnđiệntrongsuốtthờigianbánkỳdươngcủađiệnáplưới,V3và V4dẩnđiệntrongkhoảngthờigianbánkỳâm.Dođókhốiđiềukhiểnphảitạorahaicặp xungkíchlệchphanhau1800,cácxungnàyhoàntoàncóthểtạoratừmộtmạchkícduy nhấtbằngcáchdùngbiếnápxungcóhaicuộndâythứcấptươngứngchotừngcặp thyristor
3.2.2Khảosátđiệnáp
Nhưđãbiết,khitínhtoánđiệnápmộtchiềuUdá cầnphảilưuýđếnđặctínhcủatải. Trongtrườnghợptảithuầntrở,điệnápUdá sẻkhác0chođếnkhiá=1800,vớitảithuần cãmUdá =0trướckhiá=900.Bâygiờnếuá>900vàtảilàđộngcơhọatđộngvớicực tínhgiốngnhưmáyphát,Udá cógiátrịâm,Dướinhữngđiềukiệnnày,điệnápDCởngỏ rađạtcựcđạiâmtạiá=1800vớiUd180=-Ud0.Điềunàycũngđượcchứngminhbởibiểu thức toán học sau đây
a)Nốitiếp haimạch M2
b)Mạch B2 vớihai cuộn
thứ cấp
c)Sơ đồ mạchB2 thông
dụng
Hình 5.7 Cách tạo mạch B2 từ hai mạch M2
1
Udα= Ud0(1 + cosα);Ud0 = 0,9U
2
Trường hợp tải cãmkháng
Udá = Ud0x cos á; Ud0= 0,9 U
Cácgiátrịđiệnápcóthểnhậnđượcbằngcáchápdụngcácphươngtrìnhvềđiện ápraDCđốivớitảitrởkháng,điềunàykhôngchỉlàquanhệvớigóckíchámàcũnglà quan hệ với tỉsố giữacác thành phần điện trở vớiđiện cãm
VìđiệnápDCracủamạchB2gồmhaixung,trườnghợptảiđiệncãmtạicácgóc kíchá<900,nănglượngtừtrườngđượctíchtrửkhônggiãmhoàntoàn,tạithờiđiểmnày nănglượnghồitiếpbịkếtthúcsớmhơnbánkỳthứhaicủađiệnápvàbắtđầuquátrình tích trửnăng lượng mới.
3.2.3Đặctínhđiềukhiển
Hình5.8trìnhbàyđặctínhđiềukhiểncủamạchB2.Tỉsốđiệnáp
Udα
( )
= fα được
Ud0
vẻtươngứngvớihaitrườnghợp:Tảithuầntrởvàtảithuầncãmhoặctảitíchcực.Từ hìnhvẻchothấycácđườngđặctínhchỉgiốngnhautaiá=00,đặctínhđốivớitảitrở kháng cũngđược suyra từcác đặc tính này
Nênnhớrằngtảiphảilàloạitíchcựcvớihiệuquảtừá>900nănglượngđượctrả vềhệthốngbởihiệntượngnghịchlưu.Vídụnănglượngnàycóthểđượctạoratừmột máy phát DC
Hình 5.8Đường đặc tínhđiềukhiển của mạch biến đổi B2
3.2.4Hiệntượngkhehở
MặcdùđặctínhđiệnápDCởngỏralàhaixungvàđặcbiệtlàtrongtrườnghợptải thuầntrở,sựgiánđoạnđiệnápvàdòngđiệnvẩnxảyratạigóckíchá>00.Đốivớicác bộbiếnđổicôngsuấtkhiIdtạmthờibằng0trongkhoảngthờigiangiữacácxungcủa điệnápraDC.Hiệntượngnàylàmộtvấnđềđặcbiệtđốivớimộtsốyêucầuđiềukhiển vídụmộthệthốngđiềukhiểndòngđiệnđanghoạtđộngnhưngdohiệuứngnàydòng điệnthựctếsẻbằng0trongmộtkhoảngthờigianxácđịnh.Đểkhắcphụccầnphảidùng mộtcuộncãmhoặcmộtvòngđiềukhiểnđặcbiệtđểsanbằngsựgiánđoạncủadòng
điện.Hình5.9môtảảnhhưởngcủatảitronghaitrườnghợp
L
= 0và
R
L= ∞ tạiá =900
R
các đườngbiểu diển còn trình bày xung kích là một hàm iG= f(ùt)
Tronghình5.9chothấyđiệnáplướivàvịtríxungkíchgiốngnhauđốivớicảhai
loạitải.Nhưđãnóihiệntượngkhehởxảyravớitảiđiệntrởnhưngvớitảithuầncãmthì khôngngaycảđếná=900.NgượclạikhihoạtđộngvớitảiđiệntrởvídụvanV1vàV2 tiếp tụcdẩntừðđến 3ð/2do đó bánkỳ âm của điện áp lướiđược chuyển qua tải
3.2.5Khảosátđiệnápnghịch
ĐiệnápnghịchtrênthyristorV1đượcxácđịnhtheohình5.9.Vớitảiđiệntrở,điện
ápUAKtrongkhoảngtừ0đếnð/2bằngmộtnữađiệnáplưới,dokhôngcódòngđiệnnên điệnápnàyđượcchiatrênhaivan.Trongkhoảngtừð/2đếnp,vanởtrạngtháidẩnvà UAK=0VkhirT=0Ù,sauđóV3vàV4đượckíchtạiá=2700,điệnáptrênV1chuyển
sang
− uˆ
nếudòngđiệnmộtchiềuIdchảyquađiệncãmlàkhôngđổi.Trongtrườnghợp
khác điện áp nghịch luôn bằng điệnáp lưới
a) Tải điện trở b) Tải điện cãm
Hình 5.9 Dạngsóng điện áp và dòng điện trong mạch B2 tạiá = 900
3.2.6Chếđộnghịchlưu
Đốivớibộbiếnđổiđiều khiểntoànphầngiảsửdòngđiệnmộtchiềuId đã đượclàm phẳngrấttốt,sauđóđiệnápraDCdươngtạigóckíchá<900vàchếđộchỉnhlưuxuất hiện
Nếubâygiờxungkichxảyratạiá >900,điệnápraDCtrởnênâmvàmạchhoạt
động ở chếđộ nghịch lưu. Trong hình 5.10 trìnhbày chế độ nghịch lưu tạiá = 1500
Hình 5.10 Dạng sóng điện ápvà dòng điện ở chế độ nghịch lưu tại a =1500
3.3 Mạchchỉnh lưu 3 pha bán kỳcó điều khiểnM3
MạchM3(hình5.11)rấtthíchhợpđểmôtảhiệuquảcủamạchbiếnđổicôngsuất, do đó trongphần này sẻ khảo sát một số tính chất đặc biệt của chúng
Hình 5.11 Mạch chỉnh lưu M3 có điều khiển
3.3.1Phạmviđiềukhiển
KhốitạoxungkíchchocácthyristortrongmạchM3phảiđượcthiếtkếsaochocó thểtạora3xungtrongmỗichukỳvàlệchnhau1200,thêmvàođóchúngphảicókhả năng dịch pha khi cần thiết tương ứng với phạm vi điều khiển. Do điện áp UL1N(hình5.12) từthờiđiểmchuyểnmạchđầutiên(á=00)đếnđiểmgiaonhauvớiUL3N(á=1800)cógiá trịdươnghơnđiệnápnày,vanV1chỉcóthểđượckíchtrongkhoảngthờigiannày.VớiId
=hằngsốhoặckhôngcósựgiánđoạndòngđiện,V3duytrìtrạngtháidẩnchođếnkhi
V1đượckích.Vớimạchbiếnđổinày,cácloạitảitíchcựcchophépphạmviđiềukhiển theolýthuyếttừá=00đếná=1800.Phạmviđiềukhiểngiãmvớimộttảiđiệntrở.Tuy nhiên,dođiệnáprakhôngxuấthiệnphầnâm.Đốivớiloạitảinàyvantươngứngbịkhóa tại á= 1500.
Dothờigianchuyểnmạchvàthờigiantắtcủacácvan,vankhôngnhậnđượcđiện ápthuậntrongkhoảngthờigiannày,vớitảitíchcựcphạmviđiềukhiểnchỉcóthểáp dụng khoảngá= 1500(hình 5.12)
Hình 5.12 Phạmvi điều khiểncủa mạch M3
3.3.2Khảosátđiệnáp
ĐiệnápmộtchiềucủamạchB2chỉkhôngphụthuộcvàotảitạiá=00.Vớimạch M3thìkhác,điệnápDCđộclậpvớitảitrongkhoảngtừá=00đếná=300.Điềunàycó nghĩalàngaycảkhitảilàthuầntrởhiệntượngkhehởcóthểbắtđầusớmnhấtkhiá>
300vàcũngnênnhớrằngtạithờiđiễmnàythờiđiễmkíchđầutiêntrongmạchM3là300.
Dođóvớigóckíchá =300trùngvớiùt=600củađiệnápxoaychiều,vịtríđặcbiệtnày
đượcgọilàgócđiềukhiểntớihạnácrit. Trêngócđiềukhiểntớihạn,điệnápDCcủamạch
M3 được tính nhưsau :
Udá = Ud0cos ávới Ud0= 0,676 x U
Đốivớitảiđiệncãmquanhệtrêncũngđượcápdụngtrongkhoảng00≤á≤900 và trongkhoảng900≤á≤1800,điệnápUdá luônbằng0(hình5.13).Tronghìnhnàycòncho thấyđiện áp Udá chỉcó giá trị âm khitải là loại tích cực.
Hình 5.13 Sự phụ thuộcđặc tínhđiều khiển theo tải trong mạch M3
Từá=ácrit=300trởđi,cóhiệntượngkhehởkhitảilàthuầntrởnênUdá phảiđược tính theo công suất sau:
Udá = 0,577x Ud0[1 + cos (á+ 300)] với Ud0= 0,676 U và 300≤á≤1500
Trong phạm vi góc kích 1500≤á≤1800, điện áp Udá = 0 Vvìnhưđã biết với tảiđiện trở điện áp DC không có phần âm
3.3.3Ví dụ: MạchM3cóđiềukhiểnvớiULN=220Vvàá=1200
MộtmạchbiếnđổiM3đượcnốivòahệthống3phacóULN=220V,điệnápraDC
đượcxácđịnhđốivớitảithuầntrởvàtảitíchcựctạiá=1200.Cáckếtquảsauđóđược kiểm tra bằng cách tham khảo đường đặc tính điều khiển tương ứng.
a) Tải thuần trở
Udá = 0,577 x Ud0[1 + cos (á+ 300)]
= 0,577 x 0,676 x U[1 +cos (á+ 300)]
Ud 120 = 0,577 x 0,676 x 3x ULN[1 + cos (1200+ 300)]
0,577 x 1,17 x 220 V[1 + cos 1500)]
= 19,9 V
Ud120
Ud0
19,9V
=
1,17x220V
=0.08
b) Tải tích cực
Udá = Ud0x cos á
Ud 120 = 1,17 x 220 V x cos 1200
= 257,4 V x cos 1200
= -128,7 V
Ud120
Ud0
128,7V
= −
257,4V
=−0,5
3.3.4Hoạtđộngvớicácloạitảikhácnhau
Cũnggiốngnhưđãlàm vớimạchbiếnđổiB2trongphầnnàysẻsosánhcác đường
đặc tính tại á = 900với tảiđiện trở và tải cãm kháng (hình 5.14)
Cácđồthịtrìnhbàyrỏràngđặctínhhoạtđộngcủamạchbiếnđổicóđiềukhiển.Ví dụvớitảicãmkhángvàá=900,lạimộtlầnnữaUd90=0Vdodiệntíchgóckích/điệnáp ở phần dương và âm bằng nhau
Dohiệntượngkhehở(hình5.14a)trongkhoảngtừácrit=300đếná=900,điệnáp nghịchUAKtrênvanbịgiãm,mặcdùchỉcóđiện ápvanV1 đượcvẻtrênđồthị.Tuy nhiên, khi thyristorV3 được kích, điện áp trên V1 sẻ tăng lênuˆ
NếudiệntíchởphầnâmlớnhơnởphầndươngthìUdá sẻâmvàchếđộhoạtđộng lànghịch lưu.Tuynhiên,trên cơbảnchếđộnàychỉcóhiệu lực khitảicònkhảnăng cung cấpnănglượng,dđiấtừtảiphảiluônlớnhơnđiệnáplướiđểbảođãmdòngđiệntiếptục chảy theo chiều trướcđó của nó.
Nếutrongmạchtảicómộtnguồncungcấpnănglượng(độngcơmộtchiềukíchtừ
songsongvớidòngkíchtừkhôngđổi)thìlúcnàyđộngcơsẻsangchếđộmáyphátbởi cơnăngtíchtrửtrongtảicơkhívànósẻtạoradòngđiệnngangquamạchbiếnđổiđi vàohệthốngvànósẻbịhãm(hãmtáisinh).Kếtquảlàtốcđộbịgiãmvàđiệnáptrên độngcơgiãmxuống.Đểvẩncònchophépdòngchảyvàquađótiếptụcchếđộnghịch lưu,góckíchcầnphảiđượcđiềuchỉnhliêntụcsaochođiệnápcãmứngcủađộngcơ hoạtđộngnhưmộtmáypháttạimọithờiđiễmđềulớnhơnđiệnápUdá củamạchbiến đổi.Trườnghợpnàyđượcgiớithiệulạitronghình5.15vớisựchuyểntiếptừá=1500 đến á= 1200
a) Tải điện trở b) Tải cãm kháng
Hình 5.14 Điệnáp và dòng điện tại á =900với các loại tải khác nhau
Bằngcáchdùngmộtvòngđiềukhiển,gócdẩndòngđiệnácóthểđượckếtnốisao cho dòng điện luôn được duy trì không đổi cho đến khi độngcơ ngừng.
Hình 5.15 Điều chỉnh góckích mạchM3vớiđiện áp cãm ứng hồitiếp và giãm dòng tải
3.3.5Quátrìnhchuyểnmạch
Nhưđãnóiởtrên,dòngđiệnchuyểntừmộtnhánhsangnhánhkếbêntrongcùng mộtnhómchuyểnmạchđượcgọilàmộtquátrìnhchuyểnmạch.Chođếnnay,việcthay
thếmộtvanđangdẩnbởimộtvankếtiếpmộtcáchlýtưởngđượcxemnhưlàtứcthời. Tuynhiên,trongthựctếviệcchuyểnmạchảnhhưởngđếndạngđiệnápvàdòngđiệnđối vớicảhaimạchbiếnđổicốđịnhvàcóđiềukhiển.Trướchếthãyxétảnhhưởngcủaquá trình chuyển mạch trong mạch biến đổi cố định (á= 00) trong hình 5.16
ViệcchuyểnmạchtừUL1NsangUL2Nbắtđầutạithờiđiễmkíchđầutiêntiếptheotại ùt=1500 (hình5.16).V1vẩncòndẩnđiệndođặctínhcủađiệncãm,IL1 khôngthểtức thờibằng0.TuynhiênvanV2cũngsẳnsàngdẩnđiệndoxungkíchvàđiệnáptrênnó. KểtừkhivanV3bịkhóatrongchukỳđangxétnênchỉcầnchúýđếnhaimạchnhánh phía trên gồm V1 vàV2
Tronglúcchuyểnmạch,cácvannàytạonênmộtmạchkín(hình5.16),điệnápđặt vào mạch lúc nàylàđiện áp dây UL2L1. Cuộn chuyển mạch LK1, LK2và cảcuộn dây biến áp cótácdụngnhưđiệntrởtảibêntrong.TảicủamạchbiếnđổilàRvàLkhôngbaogồm trongquátrìnhchuyểnmạch.Tuynhiên,dòngchuyểnmạchIK21 chỉbịgiớihạnbởicác điện cãm trong mạch
Hình 5.16 Quá trình chuyển mạchtừ van 1 sang van 2
L
Dođiệncãmtảighépnốitiếp(τ=
R
→∞)nêndòngmộtchiềuIdcóthểxemnhưlà
hằng số, ápdụng phương trình nút bên phía cathode trong hình 5.16
iL2= Id– iL1
DòngđiệnchuyểnmạchiK21códạnghìnhsinvàđisauđiệnápUL2L1mộtgóc900. Khi iL2= Idvà do đó iL1=0, quá trìnhchuyển mạch hoàn tất.
Quátrìnhchuyểnmạchmôtảtronghình5.17đượcgọilàthờigianchuyểnmạch
hoặc góc trùng dẩn u phụ thuộc vàoviệcchọn tọa độ
Hình 5.17 Ảnhhưởng của sự chuyển mạchtại á=00
Bởivìsơđồchuyểnmạchthườngcódạngđốixứng(LK1=LK2)trongkhoảngthời giantrùngdẩnUd =UL1L2/2.Hình5.17cũngchothấyrằngsựchuyểnmạchgâyramất điện áp DC và đượcgọi là sụt áp DC cãm ứng Dx
Hình5.18trìnhbàychếđộnghịchlưu(900≤á≤1800),tráingượcvớichếđộchỉnh lưu (00≤á≤900) một lượng tăng điện áp đột biến xảy ra.
Khitănggóckích, sailệchđiệnáphiệudụngtănglênđếna =900saochoquátrình
chuyển tiếp dòng điện được nhanhchóng và thời gian trùng dẩn giãm
Hình 5.18 Điệnáp ra DC trong chế độnghịch lưu
3.3.6Ổnđịnhnghịchlưu
Khácvớicácmạchnghịchlưucổđiểntrongđómộttảixoaychiềucóthểđượccấp điệntừmộtnguồnmộtchiều,đốivớimạchbiếnđổicôngsuấtđiềunàychỉcóýnghĩalà nănglượngcóthểđượchồitiếptừphầnDCvềphíanguồnAC.Nhữngtrườnghợp nghịchlưunàyđãđượcđềcậpởphầntrênvàđượcgọilànghịchlưuchuyểnmạchlưới
vớichuyểnmạchtựnhiên.Đốivớiloạinghịchlưunàygiảsửcôngsuấtđủlớnthìtheolý thuyết mạchnghịch lưucó thể hoạtđộng với góc kích đến 1800
Tuynhiên,trongthựctếkhicácmạchbiếnđổicôngsuấtlàmviệcởchếđộnghịch lưu,dòngđiệnchảytrongthyristorphảibịngắttrướckhiá=1800.Sauđóthyristorphải chuẩnbịngưngdẩnhoàntoàn,vìsauthờiđiễmnàyđiệnáptrênthyristorlạiđượcphân cực theochiều thuận
Trởlạithờigianchuyểnmạchvàthờigiantắt,sauđógóckíchphảiđượcgiãm xuống (á<1800)quátrìnhchuyểnmạchcủathyristortiếptheođượcchấmdứtvàthời giantắtchuyểnmạchcủathyristorchuyểndòngđượcnhậnratrướckhiđiệnápdương trở lại
Nếuquátrìnhchuyểnmạchkhônghoàntấtmộtcáchnhanhchóngthìdòngđiện vẩncòntrongthyristorchuyểndòng.Mạchbiếnđổiđượccấpmộtđiệnápchođếnthời điểmđó,sauđólàmộtđộtbiếnđiệnápdương.Sựđảocựctínhnàycủamạchbiếnđổi quánhanh(hình5.18),sauđóđiệnáptrênđiệncãmvàđiệnápbiếnđổiđượcnốitiếp nhau, dòng tăng mạnh và có thể làmđứt cầu chì
Đểbảođãmantoàncầnphảiduytrìmộtkhoảngtrốngtươngđốivớigóckíchá=
1800,khoảngtrốngnàyxấpxỉ200–300vàdođógiớihạncủagóckíchđượcđặttạiá ≈
1500. Góc kích giới hạnaw còn đượcgọi là giớihạn ổn địnhnghịch lưu.
3.4 Mạchcầu 3 pha điều khiển toàn phần(B6)
3.4.1Đạicương
Sơđồcầu3phađiềukhiểntoànphầnrấtthôngdụngtrongcácbộbiếnđổicông suất.ƯuđiểmcủaloạinàysovớimạchM3làkhảnăngtậndụngbiếnápnguồntốthơn. VìcũnggiốngnhưtrongmạchcầuB2docódòngđiệnxoaychiềuchảytrongmạchthứ cấp. Hơn nữa, hệ số gợn sóng và các đặc tínhkhác cũngđượccải thiện tốt hơn.
Cácthyristorcócựccathodenốisaomangsốthứtựlẻ(V1,V3,V5)vàcácthyristor
cóanodenốisaomangsốthứtựchẳn(V4,V6,V2),vìvậyđiềunàycũnglàmộtưuđiểm khi khảosátcác xung kích tương ứng.
Hình 5.19 Khốicông suấtcủa mạch B6
3.4.2PhạmviđiềukhiểncủamạchbiếnđổiB6
Tạiá=00,hoạtđộngcủamạchhoàntoàngiốngvớimạchchỉnhlưuB6khôngđiều khiển đa thảo luận ở các bài trước.
Giốngnhưtấtcảcácmạchcầukhác,MạchB6cóthểđượctạonênbằngcách ghépnốitiếphaimạchM3.MỗimạchM3riêngbiệtcó1thờiđiễmkíchtựnhiênlà300, thêmvàohaiđiệnápthànhphầnlệchphanhausẻtạonênđiệnápra6xung(hình4.19). ĐốivớiđiệnápraDC,vớisựchuyểnmạchxảyramỗi600,vàthờiđiễmkíchtựnhiênbây giờ tại 600về phía dương kể từgốc0 của điện áp dây.
Dođó,ngaycảđốivớitảithuầntrởcũngkhôngxuấthiệnhiệuứngkhehởchođến góckíchá=600.Vìvậybiểuthứckhôngphụthuộctảisauđâyđượcápdụng trong khoảng 00≤á≤600
Udá = Ud0cos á với Ud0= 1,35 U
Giảsửtrongtrườnghợptảiđiệncãm,Udá cũngđượcxácđịnhtheoquanhệtrên trongkhoảngđiềukhiển00 ≤á≤900.Từ900 ≤á≤1800,Udá luônbằng0.Nhưmôtả trong hình 5.20, Udá có thể chỉcó giá trị âm với tảiđiện cãm.
Hình 5.20 Đặctínhđiều khiển theo tải của mạch B6
Trongphạmviđiềukhiển(600≤á≤1200),đốivớitảithuầntrởsẻxảyrahiệuứng khe hở và điện áp ra DC được tính nhưsau :
1
Udα= Ud0[1 + 1,154xcos(α + 300)]
2
Trongphạmvigóckích1200≤á≤1800,điệnápraUda=0đốivớitảiđiệntrở.Các quan hệ này cũng có thểđược biểudiển bằng đồ thịđặc tính điều khiển(hình 5.20)
3.4.3Chuỗixungkích
ĐốivớimỗimạchM3(hình5.21),mạchB6cần3xungkíchlệchnhau1200,kếtquả làvịtríquađiễm0 của3điệnápdâykếtiếpmỗixunglà600vàmỗi600cầncó1xung kích. Bởi vì trong mạch cầu phải có 2 van dẩn cùng lúc nên mạch B6 không thể hoạt động giốngnhưmạchM3.Dỉnhiênđiềunàycóthểđượckhắcphụcbằngcáchdùng6xung
dàivớibềrộngxungtP >T/6hoặcgóckíchØP >600.Điềunàycũngcungcấpđộphủ xungtươngứngchoyêucầumởmáymạchB6.Tuynhiêntrongđiệntửcôngsuấtkểtừ khicácbiếnápxungđượcxửdụngdoyêucầucầnphảicáchly,phươngphápkíchnày cónhiềukhiếmkhuyết.Vớilýdotrêncó1sựưutiênvềviệcápdụngcácxungképcho mỗithyristortheosaumỗicáikhácmộtkhoảngthờigianlà600.Phươngphápkíchnày cũng tăng khả năng xửdụng các biến áp xung nhỏ hơn một cách đángkể
Dỉnhiêncácxungképđượcdùngđểkhởiđộngmạchbiếnđổicôngsuấthoặckhi hoạtđộngvớidòngđiệnngắtquảng.Tuynhiên,theonguyênlýmạchkhốiđiềukhiểnsẻ liên tục phátra các xung kép.
ĐểchodểhiểutrongphầnnàysẻkhảosáttừngbướcquátrìnhkíchmạchB6phù hợpvớihình5.22.Tươngquanvềthờigiangiữađiệnápdâyvớicácxungkíchcũng được trình bày ở hình 5.22
Tạithờiđiễmt1,thyristorV1vàV6trongcácphaL1vàL2đượckích(khởiđộng mạch),sau600 dòngđiệnphảichuyểntừV6(L2)sangV2(L3).BâygiờV2nhậnxung chínhcủanótrongkhiV1nhậnxungthứhaicủanó(xungtheosau).Sauđó,sựchuyển mạchxảyratạimỗi600 vàvìvậymỗithyristorduytrìtrạngtháudẩntrong1200.Chuỗi cácxungkíchphảirấtsátnhau.Điềunàykhôngchỉápdụngtạiá=00màcũngdùngkhi điềuchỉnhgóckíchđểthayđổiđiệnápracủamạchbiếnđổi.Đểcácxungkíchluônlập lạitạicùngthờiđiểmđiềucầnthiếtlàxungkích hoặcmạchđiềukhiểnphảiđượcđồngbộ bởi các điệnáp dây.
Sựcầnthiếtsửdụng1xungliêntiếpđốivớihiệuứngkhehởđượcchứngminhrỏ
ràng trong hình 5.22d
Hình 5.21 Sơ đồ mạchtạoxung chính và xung phụ trong mạch B6
Nhưđãbiết,mạchB6cầnnhiềuxungkíchnhất.Khốitạoxunglàkhốiđắctiềnnhất trongmạchB6.Tuynhiênnócũnggópphầnlàmgiãmlinhkiệnmộtcáchđángkểbằng cách áp dụng modul điều khiển phatích hợp đặc biệt, ví dụ UAA 145 của hảng AEG.
SơđồcủamoduletạoxungkíchbaogồmICTCA780đượctrìnhbàyởhình5.23, modulenàycũngcònkếthợpvớibộchỉnhlưu-biếnđổi6xungSR6,xungkíchđượcđưa ratừ3khốiU1,U2vàU3(hình5.21)bằngđiệnápđiềukhiểngóckíchtrênbiếntrởR. cácđiệnápđồngbộcầnthiếtlấytừđiệnápphatrêncuộnthứcấpquađiệntrởR2=1,2
MÙ (hình 5.23).
Cácxungkíchlệch pha 1800qua cácchân 14và15 của IC đượckhuếchđạilênbởi cáctransistorchuyểnmạchvàđượctạothànhhaixungbằngcácbiếnápxungcó2cuộn
thứcấp.Vídụthyristor1tronghình5.21nhậnxungthứhai00củamoduletạoxungthứ nhấtlàmxungkíchchínhvàbằngcáchghépsongsong,xungđầutiên1800làxungphụ từmoduletạoxungkíchthứba.Cầnnhớrằnggócdịchpha2x1200+1800=4200,điều này biểu thịmột độ dịch hiệu dụng của 600
Hình 5.22Xung kích mạchcầu B6
a) Dạng sóng điện áp pha
b) Điệnáp ra DCtại á =00và á =750
c) Góc dẩn vàxung kích tại á = 00
d) Gócdẩn vàxung kích tại á = 750,tải điện trở
Hình 5.23 Khốitạo xung với4ngỏ racáchly
3.4.4MạchbiếnđổiB6vớicácloạitảikhácnhau
Tạiá =00,mạchxemnhưlàmviệcởchếđộkhôngcóđiềukhiểnnhưtrìnhbàyở
hình4.18.Trongkhoảng00≤ á ≤ 600,đặctínhđiệnápragiốngnhautrongcảhaitrường
L
hợp → 0và
R
L L
→ ∞ .Trongtrườnghợp → 0
R R
cónghĩalàtảithuầntrở,dòngđiệnId
tỉlệvớiđiệnápUdá,trongkhiđốivớiloạitảikhácthìdòngđiệnIdcógiátrịkhôngđổibởi vìtảilàcãmkháng.Vớiá=600,đặctínhđiệnápUd ápdụngchocảhailoạitải,nhưng ngượclạicác dòng một chiều tươngứng lại khácnhau.
MạchB6chỉhoạtđộngởchếđộchỉnhlưutrongtrườnghợptảilàthuầntrởvìvậy khôngcóphầndiệntíchđiệnáp/góckíchtheochiềuâm.Nhưtronghình5.24chothấy hiệuứngkhehởbắtđầutừá>600,sauđócáckhehởlớnxuấthiệntrướcá=900.Khiá
>1200 sẻkhôngcódòngđiệndođiệnápbằng0.Vớitảiđiệncãmvàtạiá=900,phần diệntíchdươngvàâmbằngnhauvàUd90=0V.Đâylàgiớihạnđốivớiviệcchuyểntiếp từchếđộchỉnhlưusangnghịchlưunhưtrìnhbàyởhình5.25.Tronghình5.26và5.27
mô tả chi tiết đặc tính của Udá trongchế độ nghịch lưu
Hình 5.24 Mạch B6 với các loại tải khác nhau
a) Dạng sóng cácđiện áp pha
b) Dạng điện áp ra DC
c) Dòng tải tại á =600,tải điện trở
d) Dòng tải tại á =600,tải cãmkháng
Hình 5.25 Điệnáp ra DC lúc chuyển tiếp từ chỉnh lưu sangnghịchlưu tạiá=900vàUd 90=0 V
Hình 5.26 Điệnáp DC âm trong chế độnghịch lưu tại á =1200
Hình 5.27 Điệnáp ra DC âm trong chế độ nghịchlưu tại á =1500
3.4.5Hoạtđộngvớisứcphảnđiện
Bêncạnhcácloạitảithuầntrởvàthuầncãmcòncóloạutảihổnhợp,loạinày thường gặptrong thựctế. Ví dụ nam châm điện, cuộn kíchtừđộng cơ
NgoàiracònmộtloạitảicósứcphảnđiệnvídụđộngcơDCvàbìnhaccu.Trong nhữngtrườnghợpnàyđườngbaokhehởphụthuộcchủyếuvàosứcphảnđiệncủatải.
DohiệuứngkhehởtrongmạchB6xảyratrướckhiá=300,nếuUdmax >Uback >Udmin
(hình 5.28)
Hình 5.28 Điện áp và dòng ra tại khehở khi á= 300, tảiđiệntrở với sức phản điện không đổi
NếucómộtnguồnnănglượngbênphầnDC,cóthểđạtđượcchếđộnghịchlưu
(hình 5.29)
Hình 5.29 Điệnáp ra và dòngtải trong chế độ nghịchlưu
Tại á =1500, tải cãm kháng có sức phản điện không đổi
3.5Đặc tínhtải
Chođếnnay,cácbộbiếnđổicôngsuấtđãđượcxemnhưlàcácnguồnđiệnáplý tưởng trong đó điện áp ra DC độclập với tải
SựthayđổiđiệnápDCcãmứngDxđãđượcđềcậpởmục3.3.5.TrongthựctếDx khôngphụthuộctheogóckíchmàphụthuộctheotải.Tuynhiên,vềcơbảnmộtđiệnáp rơisẻxuấthiệntrêncácđiệntrởcủamạchchuyểntiếpvàđượcgọilàđộổnápDrvà
thườngđượcbỏquatrongbiểuthứccủaDx.NhưngcũnggiốngnhưDx,Dr làmộthàm tuyến tính theo dòng điện.
Tronghình5.30trìnhbàyđặctínhcủatảitrong trườnghợpkhôngcóđiềukhiển,gọi
điện áp lý tưởng là Udiá và điện áp thựctế theo lý thuyết có quan hệ như sau
Udá = Udiá – UT– Dx– Dr
Tuynhiên,trongthựctếcóthểxemUdiá ≈Udá vớimộtđộchínhxácthíchhợp.Khi tănggóckíchá,đườngđặctínhsẻtịnhtiếnxuốngphíadưới,điềunày đượcnhậnthấyrỏ ởchếđộchỉnhlưu,điệnáprơilàmgiãmđiệnápraDCdươngUdá vàlàmtăngđiệnápra DC âmUdá trong chế độnghịch lưu
Tronghình5.30cũngchothấy,giátrịhiệudụngcủađiệnáptrênvanphảiđượctrừ
đitừUdá,trongtrườnghợpmạchcầulà2UTvàtrongcácmạchbánkỳlàUT.Cácđiệnáp rơi thuận này có thể được xemnhưđộclập với tải
Hình 5.30 Đặctính tải với các góc kích khácnhau
4.BIẾNĐỔICẦUĐIỀUKHIỂNBÁNPHẦN
4.1Đạicương
TrongcácmạchcầuđượckhảosátchođếngiờnhưcácmạchB2vàB6chophép ápdụngdiodechophânnửamạchvàmộtnửacònlạilàthyristor,lúcnàymạchđượcgọi làmạchB6Hlàloạimạchbiếnđổicôngsuấtđiềukhiểnbánphần.MạchcầuB2Hcóý
nghĩa đặc biệt trong cácyêu cầu điều khiển công suất thấpđơn giản
Ưuđiểmcủaphươngphápđiềukhiểnbánphầnlàgiãmđượcsốlượngthyristorvà giãm 50% công suất phản kháng cần thiết của mạch biến đổi
Trongnhiềutrườnghợpưuđiễmvềgiáthànhlàdogiãmsốlượngthyristor.Tuy nhiên,bùlạiphảicầnnhiềucuộnlọchơn.Dođóưuđiểmchủyếuởđâylàgiãmcông suất phản kháng.
Mạchkhảosátsauđâybaogồm2phần,đốivớiphầnbiếnđổi1khôngcóđiều
khiển
Ud 1= Ud0 1=
1
Ud0= hằng số
2
Và đối với phần biến đổi 2 có điều khiển
Ud 2= Ud0 2cos á=
1
Ud0cos á
2
Vì Ud0 1 = Ud0 2 =
1
Ud0 suy ra phương trình sau trong trường hợp mạch cầu
2
Udα=
1
Ud0+
2
1
Ud0cosα
2
1
= Ud0(1 + cosα)
2
Tỉ số hai điện áp
Udα
Ud0
1+ cosα
=
2
Phùhợpvớiđặctínhđiềukhiểncủatấtcảcácmạchbiếnđổicôngsuấtđiềukhiển
bán phần
Trong hình 5.31 đặc tính điều khiểnđược tìm ra bằng cáchcộng hai đặc tính
Ud1
và
Ud01
Ud2
Ud02
Tùytheođặctínhđiềukhiển,chỉcóchếđộchỉnhlưulàcóhiệulựcđốivớicác
mạchbiếnđổiđiềukhiểnbánphầnnêncầnphảithêmmộtdiodethoátdòngđểngănđiện áp âm phát sinh. Do đócác mạch này không cho phép làm việcở chế độ nghịch lưu
4.2 Mạchbiến đổicầu điều khiển bán phần
MạchbiếnđổinàyđượcviếttắtlàB2Hvàđượcchialàmhailoại:Điểmkhácnhau cơbảngiữahailaọimạchnàylàgócdẩnđiêncủacácvancóđiềukhiểnvàkhôngcó điều khiển
Hình 5.31 Đường đặc tính điều khiển mạch điều khiểnbán phần
Hình 5.32 Cầuđiều khiển bán phần đối xứngcó tải là động cơ DC và cuộn lọc
MạchcầuB2HK(điềukhiểnbênphíacathode)tronghình5.32trongthựctếítgặp hơn mạch cầu B2 HZ nhưtrong hình 5.33
Hình 5.33 Mạch cầu điều khiển bán phần không đốixứng B2 HZ
4.2.1Mạchcầuđiềukhiểnbánphầnđốixứng
Mạchcầuởhình5.32đượctạonêntừmộtmạchM2khôngđiềukhiểnvàmột mạchM2cóđiềukhiển.Dotrongtrườnghợpnàyyêucầuổnđịnhnghịchlưucũngphải đượclưuýđốivớinhánhbiếnđổicóđiềukhiển,vớiviệcchọngóckíchá≤1500,điệnáp
ngỏracóthểkhôngcònthiếtlậpđượcbằng0.Trởngạinàycóthểđượckhắcphụcnối thêm một diode thoát dòng trong mạch tải của mạch biến đổi
Cácđặctínhtạiá =00thìcũnggiốngvớimạchcầukhôngcóđiềukhiểntronghình
4.12
L
Trongcácứngdụngthựctế,
R
luônđượcchọnsaochocógiátrịđủlớnsovới
dòng một chiều Idchảy qua. Khi điện áp đi qua điễm 0, sau đó thyristor được kích dẩn, kết hợpvớidiodeghépnốitiếphoạtđộngnhưmộtnhánhthoátdòng.Vìgócdẩnluônlà1800 nên sẻ không phụ thuộcvào góc kích á.Điều này được trình bày rỏ hơn ở hình 5.34
ĐặctínhđiệnápDCtrongmạchcầuđiềukhiểntoànphầnvàbánphầngiốngnhau kểtừgóckícháchođếnkhiđiệnápbằng0.Thôngthường,dòngđiệnIdtiếptụcchảykhi điệnápquađiểm0vềphíaâm,thyristorV1vàV2(hình5.7c)trongmạchcầuđiềukhiển toàn phần vẩn còn duy trì trạng thái dản, qua đóphat sinh phần diện tích điện áp/thời gian âm nhưchỉtrong hình 5.34b
Vìvậy,toànbộdòngđiệncũngchảyngangquahệthốngxoaychiềutrongkhoảng
từáđếná+ð.Tuynhiên,đốivớimạchcầuđiềukhiểnbánphầnđốixứng,một sự chuyểntiếpdòngđiệntừdiodeV20đếndiodeV10(hình3.52)xảyratạivịtríquađiểm0 vềhướngâm.Nguyênnhâncủahiệntượngnàylàdosựđảocựctínhcủađiệnápxoay chiềuđiềukhiểndiodeV20.Vìvậy,cũngtrongtrườnghợpnàynănglượngtừtrườngtích trửtrongtảicãmkhángsẻduytrìdòngđiệnId,dòngtiếptụcchảyquavanV10vàV1.Vì lýdonàygócdẩncủadòngđiệnphabịgiãmxuốngð–á,dođólàmgiãmtảihệthống. Tổngdiệntíchdòngđiện/góckíchcủadòngđiệnphabịgiãmtheo tỉ lệchỉtronghình
5.34d, Tuy nhiên, góc dẩn dòng củacác van vẩn làè = 1800(hình 5.34c)
4.2.2Mạchcầuđiềukhiểnbánphầnkhôngđốixứng
Sơđồmạchloạinàyđươcvẻtronghình5.33,cóthểnhậnthấyngayhaidiodeV10
vàV20làcácdiodethoátdòng.Đốivớitải,mạchnàyhoạtđộnggiốngnhưmạchcầu điều khiển đối xứng. Tuy nhiên, đối với góc kíchdong qua các tyristor giãm cho đến ð– á.Tạicácdiodedòngđiệnphảiđượckéodàiđếnð+á.Dođóvẩnbảođãmđượcdòng điện Idlà hằng số
Trongchếđộcóđiềukhiển,dòngquacácthyristornhỏhơndòngchảyquacác
diodenênchophépdùngcácthyristordòngnhỏnêndẩnđếnlàmạchB2Hzrẻhơn mạch B2 HK. Điểm khác nhau nàyđược trình bày trong hình 5.35
Hình 5.34 So sánh đặc tính mạch B2 tải cãmkháng tại á=60
thứ nhấtlàsơ đồ toànphầnB2Cvàthứ hai là sơ đồ bán phần B2 HK
a) Điệnáp vào xoaychiều b) Điệnáp ra mộtchiều
c) Dòng tải – Chọn van theo hình 5.7c và 5.32
d) Dòng vàoxoaychiều với góc lệch pha sóng
cơ bản tươngứng ϕ1
Hình 5.35
a) Điệnáp ra DCcủa mạch B2H tại á =900
b) Dòng tải khôngđổi và dòng qua các van trong mạch
B2 HK
c) Dòng tải khôngđổi và dòng qua các van trong mạch
B2HZ
d) Dòng vàoxoaychiều, sóng hài bậc 1 với góc lệch pha tương ứngϕ1 so với điệnáp vàoxoaychiều u
ThờiđiễmbắtđầuquátrìnhthoátdòngtrongmạchB2HKđãđượcgiảithíchởmục
4.2.1 vàđượctrìnhbàylạitronghình5.35b.VớimạchB2HZtronghình5.33,dòngbất đầuchảyquathyristorV1,tảivàdiodeV20tạithờiđiểmkíchtrongkhoảngthờigianbán kỳdương.Saukhiquađiểm0vềhướngâm,điệnápxoaychiềuđảocựctínhlàmcho diodeV10dẩnvàthyristorV1tắt.VìvậytrongkhoảngthờigiannàythyristorV2tắtnhư trình bày trong hình 5.36
Hình 5.36 Mạch tắt cho van có điều khiển V1 và mạch thoát dòng khi điện áp ac đảo chiều
Trongkhoảngthờigianthoátdòng,haiđầucủatảixemnhưngắnmạch.Trong trườnghợplýtưởngcónghĩalàđiệnápDCUd=0V.Tronghoạtđộngthựctếđiềunày tươngứngvớitổngcácđiệnápthuậntrêncácvancódòngđiệnthoátchảyqua.Đốivới mạch B2 HZ có nghĩa là ud= - 2uF. Đối với mạch B2 HK : ud= - (uT+ uF)
Mộtcáchtổngquát,đốivớicácmạchđiệncóchếđộthoátdòngđiệnápDCkhông
cógiátrịtứcthờiâm.Dođó,cácmạchbiếnđổicôngsuấtđiềukhiểnbánphầnchỉđược dùng để chỉnh lưu
4.3 Mạchcầu 6 xung điều khiển bán phần
Mạchloạinàyđượcgọitắtlà“hDB”hoặcB6H.Tươngtự,trongsơđồcũngbao gồmmộtnhánhkhôngđiềukhiểnvàmộtnhánhcóđiềukhiển.Tronghình5.37,mạchM3 ghép cathode là nhánh cóđiều khiển và mạch M3 ghép anode không có điều khiển.
Hình 5.37 Mạch B6 bánphầncó diode thoát dòng
Trong mạch B6 H không có chế độ nghịch lưu vàđiện áp DC được tính nhưsau :
Udα=
1+cosá
2
xUd0
với Ud0= 1,35 U
Điểmcầnchúýlàchếđộ6xungchỉxảyrađốivớicácgóckíchá<600.Vìvậy,với các góckíchlớn chỉtồn tạiđiện áp raDC 3 xung.
Hình5.38chothấydạngsóngđiệnápratìmđượcbằngcáchcộngđiệnápởhai nhánhcủamạchbiếnđổi.TừđồthịcũngchothấyrằngđiệnápraDCbắtđầuxuấthiện
các khe hở tại á > 600.
Mặcdùcácmạchđiềukhiểnbánphầnkhôngthểhoạtđộngnhưcácmạchnghịch lưu.Nhưnghiệntượngnghịchlưucũngxảyralâncậná=1800.Mộtdiodethoátdòng thườngđượcthêmvàođểngănhiệntượngnày,diodenàysẻdẩnkhiđiệnápvượtqua điểm 0.
Đểhoạtđộngvớimạchthoátdòngtựnhiêncầnphảidùngmộttảiđiệncãm(hình
5.39).NếutrongkhoảngthờigianđiệnápUđiquađiễm0,thyristorV3vàV5chưađược kích,dothờigiantrìhoảnkích,V1phảitiếptụcdẩnđểduy trìdòngđiệnmộtchiều Id.Sau đó,điệnápUtănglêntrởlạivớicựctínhđượcchỉởhình5.39.CáckhốiV20vàV40bây giờtiếpnhậndòngIdchảyquaV40,V1vàtảichođếnkhithyristorkếtiếpđượckíchdẩn trở lại.
VớimạchB6H,mỗicặpmạchnhánhnhưV3,V60đềutạonênmộtmạchthoát dòng và hoạt động khiá> 600
Hình 5.38 Điệnáp DC của mạch B6 H
a) Dạng sóng điện áp pha
b) Điệnáp nhánh M3 K điều khiển toàn phần khi tăng góc kícha
c) Điệnáp nhánh M3 A không cóđiều khiển
d) Điệnáp ra DClà chênh lệchgiữa udá (M3K)–udá (M3A)với số
xung phụ thuộcvào góc kích
Hình 5.39 Sự hình thành mạch thoát dòng tựnhiên sau khi UL1L2qua điểm 0 hướng âm bởi dòng chuyển mạchtừ V20 sang V40
5.KHẢOSÁTCÔNGSUẤT
5.1Đạicương
Khảosátvềcôngsuấttronglỉnhvựcbiếnđổicôngsuấtchothấynhữngđiểmkhác chủ yếu so với kỹ thuật điện tuyền thống
Vídụnguyênnhânphátsinhsónghàidoviệckíchtrểtrongcácmạch điềukhiển xoaychiềuđãđượcgiảithíchởcácbàitrước.Mộtđặctínhkhácnửalàcôngsuấtđiều
khiểnphản kháng,việcnàyxảyrakhitănggóckíchngaycảtrongtrườnghợptảilàthuần trở.
Tươngtựnhưvậy,cácmạchbiếnđổicôngsuấtcóđiềukhiểncũngtạorahiệuứng phảnkhángvớihệthống.Vídụcómộtsựmâuthuẩnđượcgiảđịnhkhichỉcómộtsự
biếnđổicôngsuấttácdụngcóthểđượcchứngminhvềmặtđiệnápDC,trongkhiđóvề
mặt hệ thống chỉcócông suất phảnkháng phụ thuộc vào thờiđiểmkích.
Trongkỹthuậtmộtchiềucổđiển,côngsuấtđượctínhtheocôngthứcP=UxI, trong khoảng thời gian đang xét, U và I có thể được coi như không đổi theo thời gian và là các giá trị hiệu dụng.
Tuynhiên,giảthiếtnàykhôngcònđượcápdụngngaycảđốivớicáchệbiếnđổi côngsuấtkhôngđiềukhiểnvìtheobài4nóđãkhôngcókhảnăngcânbằngcôngsuất cho đến khicác đại lương Umixedvà Pmixedđược đưa ra.
Mặtkhác,trongkỹthuậtxoaychiềucổđiểnluôndựatrêncơbảnđiệnápvàdòng
điệnhìnhsin.Quátrìnhbiếnđổicôngsuấtlớnnhấtcóthểđạtđượckhiđiệnápvàdòng điệncùngphanhau.Tuynhiên,nếucácđiệntrởxoaychiềunhưlàcãmkhánghoặcdung khángđượcnốivàohệthốngxoaychiều,sựlệchphasẻxảyra,donănglượngtíchtrử trongcácloạitảinày.Vídụvớimộtdòngđiệntứcthờigiátrịdươngvớimộttđiệnáptức thời giá trịâmsẻ tạo ra một công suất tức thời giá trịâm.
Mộtnguồnnănglượngđượctạoraởtrạngtháinàycungcấpchohệthống.Bằng cáchsửdụngcácgiátrịhiệudụngcủađiệnápvàdòngđiện,cóthểápdụngcáccông thức sauđây trong kỹ thuật xoay chiều
Công suất biểu kiến : S = U x I
Công suất tác dụng : P = U x Ix cos a
Công suất phản kháng : Q = Ux I x sin a
S= P2+ Q2
5.2 Công suất trong kỹthuậtbiến đổicôngsuất
Nhưđẫtrìnhbàytrongcácđoạntrên,cácmạchcóđiễmgiữacungcấpmộtdòng điệnhổnhợpởđầuvào.Mặtkhác,cácmạchcầulạicungcấpmộtdòngxoaychiều,do kếtquảhầuhếtcácngỏrahoàntoànphẳngnêndòngđiệnởngỏvàocódạngcácxung
vuông (hình 5.34 và 5.35).
Nhưđãbiết,mỗimộtdaođộngtuầnhoàncóthểđượcthaythếbởimộtsốcácdao độnghìnhsin.Phátbiểunàycũngđượcápdụngchodòngđiệnxoaychiềuhìnhvuông. Điềunàyđượcchứngminhlạitronghình5.40.Mộtcáchgầnđúngcóthểxemxung vuông gồmcó 3 dao động hình sin.
Đểđơngiảntrênhìnhchỉvẻcácthànhphầndaođộngbậcnhất,bậcbavàbậc năm.Tổngcủa3thànhphầnnàysẻtạonêndòngđiệncódạnggầnhìnhvuônglýtưởng. Nhưđãtrìnhbàytronghình3.28,thànhphầnhìnhsincótầnsốbằngvớitầnsốhệthống đượcgọi làthành phầncơ bản.
Kểtừkhiϕ1=áluônđượcápdụngchomạchbiếnđổiđiềukhiểntoànphần,công suất tác dụng chỉphụ thuộc vào thành phần daođộng cơ bản và được tính nhưsau:
P = U x I1xcosϕ1hoặc
P = U x I1xcos á
Phươngtrìnhthứhaichothấymộtcáchrỏràngcôngsuấttácdụngđạtgiátrịtốiưu khi á= 00(cos 00= 1)
VớimạchbiếnđổikhôngcótổnhaothìcóthểxemcôngsuấttácdụngPởngỏvào
bằng với công suất Pdở ngỏ ra
Pd= Udá x Idx cos á
Công suất biểu kiếncủathành phầncơ bản được tính nhưsau :
S1=UxI1=
P
cosα
S1=UdαxId=
Pα
cosα
Hình 5.40
a) Điệnáp ra DCtải điện cãm tạia =
600
b) Dạng sóng dòng điện vào là tỏng 3
thành phần dao động sin
Tuynhiên,côngsuấtbiểukiếntổngStronghệthốnglớnhơncôngsuấtbiểukiến
S1củathànhphầncơbản,khôngkểđếncácdòngđiệnbậccaoI3,I5,..mặcdùchúng cũng tạo nên một công suất phản kháng , do đó
S > S1
Trongthựctế,côngsuấtbiểukiếnScóthểđượcxácđịnhdểdàngtừgiátrịhiệu dụng của U và I (S = Ux I)
Đối với hệ số thay thê
cosϕ1= P S1
P
Đối với hệ số công suấttổng λ=
S
900
ÁpdụngcácquanhệnàychomạchbiếnđổicôngsuấtB2vớitảiđiệncãmtạiá=
Vớiá= ϕ1= 900suy ra P = S1 x cos 900= 0 W
Kết quả này cho thấy công suất tácdụng P ở cả hai phía sơvà thứcấp phải bằng 0
Điềunàyđúngđốivớingỏramạchbiếnđổicôngsuất,bấtchấpdòngđiệnmột
chiều đangchảy, Udá = 0 V và
Pd= Udá x Id= 0 W
Tạingỏvàocủamạchbiếnđổi,congsuấttácdụngPcũngbằng0,bởivìdòngđiện của thành phần cơ bảnchậmhơn điện áp mộtgóc 900. Dođó, công suất phản kháng của thành phầncơ bản đạt cựcđại trongtrường hợp này
Q1 = U x Ix sinϕ1
5.3 Các mạchlưutrửcôngsuấtphản kháng
Nhưđãtrìnhbàyởcácphầntrướccácmạchbiếnđổicôngsuấtđiềukhiểntoàn phầnbịảnhlưởnglớnvàoquanhệphagiũađiệnápvớidòngđiệntronghệthốngxoay chiều.Kểtừkhihệsốcôngsuấttrởnênxấuhơnchủyếubởicôngsuấtphảnkháng,nên
cần thiết phải tìm biện pháp để giãm thành phầncông suất phản kháng này.
5.3.1Bùcôngsuấtphảnkháng
Nóimộtcáchtổngquátcóthểbùthànhphầncôngsuấtphảnkhángtronghệthống bằngcáchdùngcácđiệndung.Trongthựctếphươngphápnàyđãcảithiệnmộtcách thỏađáng.Tuynhiên,doviệcghéptụkhôngthểthayđổinhanhchóngtrongmạchkích
và tảiđiều này thương gặp trong kỹ thuật biến đổi công suất
Mộtphươngphápkháclàdùngcácmáyđiệnđồngbộ.Ởđâysựthayđổidòngđiện pháttrongrotorcóthểtạoramộtnguồncungcấpcôngsuấtphảnkhángnhanhchóngvà dẩnđếnđạtđượchiệuquảbùcôngsuấtrấttốt.Dochiphíđầutưcaonênphươngpháp nàychỉcótínhkinhtếđốivớicáchệthốnglớn,đặcbiệtlàkhimáyđiệnđồngbộđược dùng nhưmột động cơ.
Ngoàicácphươngphápbù,cácmạchđiệnđượcbiếttrongkỹthuậtbiếnđổicông suấttiêuthụmộtlượngcôngsuấtphảnkhángthấp,dođặcđiễmvềhoạtđộngvậtlýcủa chúngnênkhôngthểgiảiquyếtđầyđủvấnđềcôngsuấtphảnkháng.Tuynhiên,trong phần này cũng sẻ đề cập một cách ngắn gọn về các mạch quen thuộcnhất.
5.3.2Biếnđổicôngsuấtđiềukhiểnbánphần
Cácmạchbiếnđổiloạinàyđãđượcgiớithiệuởmục5.4,đặcđiễmtiêuthụmột côngsuấtphảnkhángthấpđượckhảosátởđâydựatrêncơsởhiệuứngthoátdòngbên trongcủachúng.NgỏramạchbiếnđổitrởnênngắnmạchngaykhiđiệnápDCthayđổi cựctính.Ởtrạngtháinày,dòngđiệnmộtchiềuchảyngangquacácnhánthoátdòngđến
tải, tại thờiđiễm này dòng lưới bằng0, hiện tượng này được mô tả trong hình 5.34
Trongkhiđốivớitrườnghợpđiềukhiểntoànphầnvớiquanhệa=j1,côngsuất phản khángcủa thành phần cơ bản là
Q1= U x I1x sin ϕ1= U x I1x sin á
Trong trường hợp điều khiển bán phần được tính nhưsau
α
Q1= U x I1x sin ϕ1= U x I1x sin
2
Và quan hệ mới sẻ là
ϕ 1= α
2
Từhaimạchđiệnởhình5.34,điềunàycónghĩalàkhi
π
0
α= = 60
3
góclệchpha
giữađiệnáp vớithành phầndòngđiệncơbảnbịgiãmtừϕ1=600đốivớimạchB2 đếnϕ1
=300 đốivớimạchB2H.Nhưđãbiếtviệcgiãmcôngsuấtphảnkhángchỉcóthểđạt
đượcbởi tổn hao trongchế độ nghịch lưu.
Tuynhiên,trongnhữngtrườnghợpnhấtđịnh,chếđộnghịchlưuvàtáisinhcóthể đượcbỏ qua để tải hệ thống là nhỏnhất.
5.3.3Cácmạchdùngdiodethoátdòng
Đốivớicácmạchbiếnđổicôngsuấtđiềukhiểntoànphần,hiệuứngthoátdòngvà việcgiãmdòngtảichínhcóthểđạtđượcbằngcáchdùngmộtdiodeghépthêmvàotại
ngỏracủamạchbiếnđổi.Tuynhiên,lạimộtlầnnửaviệctíchtrửcôngsuấtphảnkháng ámchỉđếnsựtổnhaotrongchếđộnghịchlưu.Cácmạchbiếnđổicầuđiềukhiểntoàn phầncódiodethoátdònghoạtđộngrấtgiốngvớicácmạchcầuđiềukhiểnbánphần, nhưng loạisau thông dụng hơn do tốn ít van.
Do đó, diode thoát dòng chủ yếu được áp dụng trong các mạch có điễm giữa. Trong các thiếtkếđơn giản kýhiệu cácloại mạch này thường được thêm ký hiêu “F” ví dụ B6 F
MạchbiếnđổicôngsuấtM3Fđượcgiớithiệulạitronghình5.41làmộtvídụvề
một mạch tích trửcôngsuất phản kháng.
Hình 5.41 Mạch M3 Fcó công suấtphản kháng thấp
5.3.42B2HZđiềukhiểnphatuầntự
Mộtsựkếthợphaimạchcầuxoaychiềuđiềukhiểnkhôngđốixứngtrìnhbàytrong hình5.42đượcdùngchủyếutrongyêucầuđiềukhiểnxelửa,vớimộtđiệnápUdathấp,
chỉcóPC1đượckích.LúcnàydòngtảichảyquanhánhthoátdòngcủaPC2saocho cuộndâybiếnápvẩnkhôngcódòng.PC2chưađượckíchchođếnkhiPC1đượcđiều
khiểnđầyđủcónghĩalàtạiá1=00,côngsuấtphảnkhángcủathànhphầncơbảntương
ứngcũngtrởnênbằng0.Bêncạnhviệcgiãmcôngsuấtphảnkháng,mạchnàycũngcho
hệ số gợn sòng ở điệnáp DC ra.
Hình 5.42 So đồ mạch biến đổi công suất2B2Hz
5.3.5Cácmạchbiếnđổicôngsuấtngắtmạch
Cácmạchcôngsuấtphảnkhángthấpđãđượcgiớithiệuhoạtđộngtrênnguyêntắc chuyểnmạchhệthốngcónghĩalàdòngđiệnchuyểntừvannàysangvankhácbởiđiện áp lưới.
Tuynhiên,mộtphươngphápkhác–chuyểnmạchcưởngbức–chophépcông suấtphảnkhángđượcnénhoàntoàn.Phươngpháphoạtđộngnàyđượcgọilàđiều
khiển hình quạt.
Hình 5.43 Dòngđiện chính,điện áp AC vàđiện áp ra DC trong phương pháp chuyển mạchcưởng bức
ĐặctínhcủaGTOthyristorđãđượcgiớithiệuởbài2.Đồthịtronghìnhchothấy mộtdiệntíchđiệnápDC/góckíchđốixứngsovớibánkỳdươngcủađiệnápxoaychiều. Hình5.43chothấydạngdòngđiệnxoaychiều.trongtrườnghợpnàydòngđiệncủasóng cơ bản đồng pha vớiđiện áp xoaychiều
5.4Ảnh hưởng công suất phản kháng lên hệ thống
Doviệcxuấthiệncôngsuấtphảnkhángnênmộtmạchbiếnđổicôngsuấttương tácvớihệthốnglướiđiệngiốngnhưmộttảicãmkháng.Hơnnưamộtảnhhưởngcựckỳ quantrongđếnhệthốnglàsựphátsinhnhiểu.Vídụcácdòngđiệnsónghàibậccaosẻ
gây ra tổn thất điện áp và cần phải có những mạch lọcđặc biệt.
Cácthànhphầnsónghàinàycóthểlẩnvàolướiđiệnthôngquacãmkhángvà dungkháng.Tạithờiđiểmkíchthyristorđiệnápđộtbiếnsẻphátsinhphổtầnsốcaovà nhiểu có thể xảy ra trongdải tần radio và TV
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro