Bài giảng Điện tử công suất ứng dụng - Chương 3: Bộ biến đổi điều khiển pha
Chöông III
BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÀU KHIEÅN PHA
Chænh löu, laø BBÑ ñieän xoay chieàu ra moät chieàu, ñaõ xuaát hieän töø laâu, baét ñaàu laø caùc sô ñoà
söû duïng ñeøn hai cöïc, caùc diod oxit kim loaïi roài ñeán caùc linh kieän baùn daãn. Ngaøy nay caùc boä chænh
löu coøn raát phoå bieán, khi maø ñieän naêng ñöôïc phaân phoái ôû daïng aùp xoay chieàu trong khi raát nhieàu
taûi söû duïng ñieän moät chieàu. Töø khi xuaát hieän caùc linh kieän chænh löu coù ñieàu khieån (thyratron hay
SCR), ta coù ñieàu khieån pha laø phöông phaùp thay ñoåi ñieän aùp ngoû ra baèng caùch cung caáp cho taûi
moät phaàn cuûa chu kyø hình sin.
Vì theá, chöông III daønh cho khaûo saùt caùc boä bieán ñoåi söû duïng nguyeân lyù ñieàu khieån pha, laø
caùc sô ñoà coù ngoû vaøo laø ñieän löôùi xoay chieàu, söû duïng ñieàu khieån pha ñeå thay ñoåi aùp ngoû ra, bao
goàm caùc boä chænh löu ñieàu khieån pha vaø boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu. Boä chænh löu duøng diod ñöôïc
xem laø tröôøng hôïp rieâng cuûa chænh löu ñieàu khieån pha, khi aùp ra laø khoâng ñoåi, öùng vôùi goùc ñieåu
khieån pha baèng 0.
III.1 CHÆNH LÖU DIOD (KHOÂNG ÑIEÀU KHIEÅN):
Nhö ta seõ nhaän xeùt, chænh löu diod laø tröôøng hôïp rieâng cuûa caùc sô ñoà chænh löu ñieàu khieån
pha. Vì vaäy, trong muïc naøy ta chæ khaûo saùt caùc boä chænh löu diod moät pha nhö moät söï môû ñaàu.
Nhö ñaõ giôùi thieäu trong chöông 1, thoâng soá ñaëc tröng (vaø mong muoán) cuûa ñieän aùp ngoû ra
boä chænh löu laø giaù trò trung bình, laø thaønh phaàn moät chieàu cuûa ñieän aùp naøy. Giaù trò hieäu duïng chæ
ñöôïc chuù yù khi ta quan taâm ñeán söï phaùt nhieät cuûa ñieän trôû vaø caùc tính toaùn soùng haøi baäc cao duøng
ñeå ñaùnh giaù möùc ñoä khoâng lyù töôûng cuûa daïng ñieän aùp.
Caùc sô ñoà chænh löu ñöôïc phaân loaïi theo soá xung cuûa aùp ra trong moät chu kyø löôùi.
1. Khaûo saùt chænh löu hai xung: Coøn ñöôïc goïi laø chænh löu toaøn soùng hay hai nöõa chu kyø,
bao goàm sô ñoà caàu moät pha vaø sô ñoà moät pha coù ñieåm giöõa.
a. Hoaït ñoäng ôû taûi R:
iS
uo
io
wt
0
u
2π
π
uD1
(a)
(b)
U 2
(c)
Hình III.1.1 Sô ñoà caàu moät pha (a) vaø sô ñoà moät pha coù ñieåm
giöõa (b) vaø caùc daïng soùng doøng, aùp taûi trôû (c)
Trong sô ñoà caàu vôùi taûi trôû D1, D4 ñöôïc phaân cöïc thuaän vaø daãn ñieän ôû baùn kyø döông cuûa
nguoàn u vaø D2, D3 coù hoaït ñoäng töông töï ôû baùn kyø aâm ñeå cung caáp doøng aùp moät chieàu ( >0) cho
taûi. Vì bieán aùp coù ñieåm giöõa coù hai ngoû ra ngöôïc pha ôû thöù caáp (e vaø – e), luoân luoân coù moät diod
daãn ñieän khi taûi R vaø hai sô ñoà coù cuøng daïng aùp ra nhö hình III.1.1.c.
Goïi aùp nguoàn u = U 2 sinwt <III.1.1 >
vôùi U , ω : trò soá hieäu duïng vaø taàn soá goùc aùp nguoàn u.
¾ Trò trung bình Uo cuûa aùp ra uo:
2π
π
1
1
1
2 2
Uo =
uodt =
uodt =
2U sinwt⋅dwt =
U <III.1.2 >
∫
T
∫
∫
0
0
T
2π
π
π
Vôùi taûi trôû, ta coù quan heä u = i .R vôùi i laø doøng ngoû ra => i = u /R
o
o
o
o
o
suy ra doøng, aùp ngoû ra coù cuøng daïng vaø trung bình doøng ngoû ra I = U /R <III.1.3 >
o
o
¾ Trò hieäu duïng doøng taûi :
2
2π
π
π
1
1
1
u
R
U
R
⎛
⎞
2
2
IoR =
io .dwt =
io .dwt =
.dwt =
<III.1.4 >
⎜
⎟
∫
∫
∫
0
0
0
2π
π
π
⎝
⎠
vôùi U laø trò hieäu duïng aùp nguoàn. Trò hieäu duïng doøng taûi cuõng chính laø trò hieäu duïng IS cuûa
doøng qua nguoàn khi taûi laø R. Coù theå ñoaùn tröôùc ñieàu naøy khi ñeå yù boä chænh löu chæ laøm ñoåi chieàu
(cöïc tính) doøng nguoàn xoay chieàu thaønh moät chieàu cung caáp cho taûi.
2
U
2
¾ Coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi R laø P = R.IoR =
gioáng nhö noái tröïc tieáp vaøo löôùi ñieän,
o
R
töông öùng heä soá coâng suaát cuûa BBÑ baèng 1.
Neáu ta laáy coâng suaát moät chieàu PDC laøm coâng suaát höõu duïng thì
. Luùc
PDC =UO.IO < P
o
naøy ta ñaõ boû qua taùc duïng nhieät cuûa caùc soùng haøi ñieän aùp ngoû ra.
AÙp khoùa cöïc ñaïi treân diod:
Ñeå choïn ñònh möùc aùp cho caùc diod, ta caàn xaùc ñònh ñieän aùp khoùa cöïc ñaïi maø diod coù theå
phaûi chòu khi laøm vieäc. Xeùt caùc diod noái chung anod (hay catod), khi moät diod trong nhoùm daãn
ñieän, caùc diod coøn laïi trong nhoùm seõ bò ñaët vaøo ñieän aùp daây giöõa pha cuûa diod ñang daãn vaø pha
cuûa chính noù.
Trong tröôøng hôïp sô ñoà caàu, khi D1 daãn, D2 bò phaân cöïc ngöôïc baèng aùp löôùi, vaäy aùp
ngöôïc cöïc ñaïi cuûa diod seõ laø trò soá ñænh aùp löôùi U 2 .
Vôùi sô ñoà bieán aùp coù ñieåm giöõa (hình III.1.1.b), bieán aùp coù hai cuoän thöù caáp ñaûo pha, aùp
ngöôïc ñaët vaøo chænh löu taêng gaáp ñoâi. Thaät vaäy, khi D1 daãn, aùp ñaët vaøo D2 laø:
uD2 = − e − e = − 2.e (qui öôùc aùp treân SCR hay Diod luoân tính töø A qua K).
- Boä chænh löu coù nhieäm vuï ñoåi höôùng (naén) doøng nguoàn xoay chieàu thaønh
doøng moät chieàu qua taûi, suy ra ôû maïch moät pha, hieäu duïng doøng nguoàn vaø taûi
coù cuøng trò soá.
GHi NHÔÙ
b. Hoaït ñoäng ôû taûi RL:
Maïch ñieän khaûo saùt laø sô ñoà hình III.1.1.a hay III.1.1.b vôùi taûi laø RL thay vaøo vò trí cuûa R.
Taïi goác toïa ñoä wt = 0, aùp nguoàn u > 0 laøm D1, D4 daãn ñieän. Doøng taûi taêng leân töø giaù trò
khoâng vaø khaùc vôùi taûi R, doøng chöa veà khoâng ôû wt = π. ÔÛ baùn kyø keá, D2, D3 daãn ñieän vì ñöôïc
phaân cöïc thuaän vôùi giaù trò doøng ban ñaàu khaùc khoâng. Sau moät soá chu kyø, maïch ñieän ñaït cheá ñoä
töïa xaùc laäp: doøng qua maïch thay ñoåi coù chu kyø, ôû ñaây laø π.
Ñeå khaûo saùt chu kyø töïa xaùc laäp, ta laáy laïi goác toïa ñoä vaø phöông trình maïch ñieän:
di
uo = u = 2U sinwt = R.io + L
2U
ñieàu kieän ñaàu : iO(0) = I1
ωL
dt
t
L
R
τ
giaûi ra: io =
sin wt−φ + I e− . vôùi φ = tg−1
vaø τ =
(
)
1
Z
R
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 2 of 55
Khi wt = π , doøng ñieän trôû laïi giaù trò ban ñaàu I1 ñeå laäp laïi xung doøng cho baùn kyø môùi:
π
2U
Z
io =
sin π −φ + I e−
= I1 <III.1.5>
ωτ
(
)
1
Hình III.1.2 (a) aùp doøng chænh löu hai xung taûi RL (b) daïng doøng trong chu kyø töïa xaùc laäp
Giaûi phöông trình naøy, ta ñöôïc I1 vaø bieåu thöùc cho daïng doøng ra i . Bieåu thöùc naøy töông
o
ñoái phöùc taïp vaø tích phaân ñeå tính trò trung bình doøng qua taûi Io = π io.dwt laø khoâng deã daøng.
1
π
∫
0
Trong thöïc teá, ngöôøi ta thöôøng chæ tính giaù trò trung bình doøng ra baèng nguyeân lyù xeáp choàng khi
chæ xeùt taùc duïng cuûa thaønh phaàn moät chieàu cuûa aùp :
IO = UO/R , coù daïng <III.1.3> vì L khoâng coù taùc duïng ñoái vôùi thaønh phaàn moät chieàu
cuûa ñieän aùp.
Gioáng nhö ñaõ phaân tích trong phaàn tính giaù trò trung bình, vieäc tính hieäu duïng doøng taûi vaø
nguoàn seõ toán khaù nhieàu coâng söùc, coù theå tích phaân tröïc tieáp hay duøng nguyeân lyù xeáp choàng.
Trong thöïc teá, ngöôøi ta chæ xeùt tröôøng hôïp L voâ cuøng lôùn ñeå ñoä nhaáp nhoâ doøng taûi khoâng ñaùng keå
(tröôøng hôïp doøng phaúng) nhö ôû nhöõng muïc tieáp theo.
Ví duï: Tính doøng qua maïch chænh löu caàu diod taûi R = 10 ohm, aùp nguoàn 12 V (hieäu duïng).
Trò trung bình aùp ra
2
2
u
U = 12⋅
= 12⋅ 0.9 = 10.8v ,
o
o
π
i = I
Trò trung bình doøng ra:
o
o
D1, D4
D2, D3
wt
IO = UO R =10.8/10 =1.08 A
π
2π
Baøi taäp III.1.1: Tính HSCS cuûa
BBÑ khi doøng taûi phaúng, baèng IO. Khi L voâ
cuøng lôùn, nhaáp nhoâ doøng khoâng ñaùng keå, ta
coù doøng phaúng.
u
Doøng qua nguoàn
i
I
o
- Coâng suaát taûi tieâu thuï cuõng laø
coâng suaát nguoàn cung caáp baèng
PO = UO.IO
I
o
Hình BT III.1.1 Khaûo saùt chænh löu 2 xung taûi doøng phaúng,
lieân tuïc
- Hieäu duïng doøng taûi IR, nguoàn INR
cuõng laø IO , coâng suaát bieåu kieán S = U.IO
2 2
- Vaäy HSCS =
π
- cuoän daây noái tieáp maïch taûi coù theå laøm cho doøng taûi phaúng hôn neân noù
thöôøng ñöôïc goïi laø cuoän khaùng san baèng.
QUAN SAÙT
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 3 of 55
c. Hoaït ñoäng ôû taûi RE: ( hình III.1.3 )
Ngöôïc laïi vôùi taûi RL coù khuynh höôùng keùo daøi xung doøng ñieän, taûi coù söùc phaûn ñieän laøm
cho xung doøng thu heïp. Thaät vaäy, töø sô ñoà maïch ñieän hình III.1.3 coù theå nhaän xeùt laø caùc diod chæ
daãn ñieän ñöôïc khi aùp nguoàn u lôùn hôn söùc phaûn ñieän E cuûa taûi. Goïi δ laø goùc ñeå diod baét ñaàu daãn
ñieän:
Khi wt = δ thì u = E ⇔ E = 2U.sinδ ⇒ δ = sin−1
<III.1.6>
E
)
U
2
Khi diod daãn ñieän, u = u = R.i + E⇒ i = u− E / R vôùi u = 2U sinwt. Daïng doøng laø
)
o
o
o
phaàn coù toâ treân hình III.1.3. Khi iO = 0 thì wt = π − δ vì tính ñoái xöùng cuûa hình sin.
Hình III.1.3 Chænh löu diod 2 xung, taûi RE
Khi diod taét hay iO = 0 , uO = E. Töø hình III.1.3 bieåu thöùc tính trung bình aùp ra:
π −δ
δ +π
Uo = δ +π uo.dwt =
2U.sinwt.dwt+
E.dwt
⎡
⎤
1
1
π
π
∫
δ
∫
∫
⎢
δ
π −δ
⎥
⎦
⎣
π
π −δ
1
1
u− E
R
vaø bieåu thöùc tính trung bình doøng ra: Io =
iodwt =
.dwt.
∫
∫
0
δ
π
π
IO coù theå ñöôïc tính theo nguyeân lyù xeáp choàng khi xeùt maïch töông ñöông ñoái vôùi maïch
ñieän moät chieàu:
IO = (UO – E) /R
Ñeå tính toaùn coâng suaát phaùt nhieät cuûa ñieän trôû R caàn tính toaùn giaù trò hieäu duïng IOR cuûa
π
π −δ
2 .dwt .
2
1
π
1
π
u−E
doøng ñieän ngoû ra iO: IOR
=
io .dwt =
(
)
R
∫
∫
0
δ
2
Vaø coâng suaát tieâu thuï treân ñieän trôû R laø P = R.IOR
o
- Chæ khi söùc phaûn ñieän maïch taûi E lôùn hôn bieân ñoä aùp nguoàn thì doøng taûi
môùi baèng khoâng
QUAN SAÙT
d. Hoaït ñoäng ôû taûi coù tuï ñieän: ( hình III.1.4 )
Hình III.1.4: Maïch ñoäng löïc vaø daïng doøng, aùp chænh löu caàu coù ñieän dung ôû ngoû ra (khi cho suït aùp diod
baèng khoâng).
Ñeå coù aùp phaúng ôû ngoû ra, ngöôøi ta söû duïng maïch loïc coù tuï ñieän laø phaàn töû chính nhö hình
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 4 of 55
II.1.4. Tuï ñieän tích tröõ naêng löôïng döôùi daïng ñieän aùp, noù ñöôïc naïp naêng löôïng khi aùp nguoàn
chænh löu cao hôn aùp ngoû ra: u > uC . Phöông trình doøng khi diod daãn ñieän:
duC
dt
du
dt
i = C
= C
<III.1.7> , vôùi u = U 2 sinwt
in
vôùi u laø aùp nguoàn hình sin, vaø iin coù theå coù giaù trò raát lôùn phuï thuoäc vaøo giaù trò C vaø
du/dt luùc ñoù. Doøng iin giaûm veà khoâng vaø tuï ñieän seõ cung caáp naêng löôïng cho taûi khi aùp nguoàn
chænh löu thaáp hôn aùp treân tuï u < uC .
Theo III.1.7, khi noái tröïc tieáp tuï ñieän ôû ngoû ra chænh löu thì doøng naïp tuï iin coù daïng xung
vôùi bieân ñoä coù theå raát lôùn laøm hoûng diod, gaây suït aùp löôùi ñieän. Ñieàu naøy coù theå haïn cheá baèng moät
trong caùc phöông phaùp sau (hình III.1.5):
- Khi chænh löu söû duïng bieán aùp giaûm aùp coâng suaát beù, toång trôû trong cuûa bieán aùp ñuû ñeå
haïn doøng, khoâng caàn phaàn töû phuï khaùc (a).
- Maïch loïc duøng LC thay vì C (b). Töï caûm ngoaøi taùc duïng haïn doøng naïp tuï coøn goùp phaàn
vaøo laøm phaúng aùp ngoû ra, caûi thieän daïng doøng ngoû vaøo, ñöôïc duøng khi caàn chaát löôïng cao.
- ÔÛ chænh löu tröïc tieáp töø löôùi moät pha coâng suaát nhoû, ngöôøi ta haïn doøng qua nguoàn vaø
diod baèng moät ñieän trôû hay toát hôn, baèng moät varistor coù ñieän trôû taêng raát nhanh theo söï taêng cuûa
doøng qua noù (c).
- ÔÛ chænh löu tröïc tieáp töø löôùi coâng suaát trung bình hay lôùn, thay vì duøng töï caûm haïn doøng
naïp tuï, ngöôøi ta noái tieáp moät ñieän trôû coù trò soá lôùn nhöng coâng suaát beù luùc khôûi ñaàu, sau ñoù seõ
ngaén maïch laïi baèng khoùa K tröôùc khi cho maïch hoaït ñoäng (d). Phöông phaùp naøy kinh teá hôn söû
duïng cuoän daây.
VARISTOR
i
in
v
v
v
i
in
L
T
v
v
v
C
C
C
C
C
C
R
R
R
(a)
(b)
(c)
Hình III.1.5: Caùc sô ñoà thöïc teá
K
Phöông trình maïch ñieän khi coù R haïn doøng laø:
duC
uC = R(−iC ) = −RC
dt
v
i
in
R
vôùi giaù trò ban ñaàu aùp treân tuï laø trò cöïc ñaïi uC = uCmax
Khi C coù giaù trò lôùn, vC xem nhö taêng, giaûm theo
ñöôøng thaúng nhö daïng soùng hình III.1.6a.
.
v
C
C
R
(d)
- Caàn löu yù bieän phaùp haïn doøng naïp tuï ñieän ôû ngoû ra cuûa boä chænh löu ñeå
traùnh laøm hoûng diod.
GHi NHÔÙ
2. Tính toaùn gaàn ñuùng aùp ra boä chænh löu diod ngoû ra coù tuï ñieän:
Daïng aùp ra cuûa caùc boä nguoàn chænh löu thöïc teá, khi tuï ñieän ñöôïc naïp qua moät toång trôû
(caùc sô ñoà III.1.5a b vaø c) coù daïng vC treân hình III.1.6.a. AÙp ra phaúng hôn nhôø coù suït aùp treân
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 5 of 55
phaàn töû noái tieáp naøy, bieân ñoä doøng naïp tuï ñieän cuõng thaáp hôn. Vieäc tính toaùn chính xaùc maïch
ñieän luùc naøy phöùc taïp, chæ coù theå nhôø vaøo caùc coâng cuï moâ phoûng treân maùy tính hay thöïc nghieäm.
Khi tính toaùn maïch coâng suaát nhoû, ngöôøi ta thöôøng duøng caùch tính gaàn ñuùng vôùi giaû söû
ñieän dung C raát lôùn hay boä nguoàn coù söû duïng maïch oån aùp vôùi daïng aùp, doøng hình III.1.6.b.
Hình III.1.6: (a) Daïng doøng, aùp ra thöïc teá sô ñoà hình III.1.5a; (b) Daïng aùp tính toaùn sô ñoà hình III.1.5a
Khi ñoù doøng taûi coù theå xem laø khoâng ñoåi coù trò soá laø IO = UO/R vôùi UO laø aùp trung bình
ngoû ra. Suy ra aùp treân tuï ñieän seõ suy giaûm tuyeán tính vôùi ñoä doác – IO/C . Neáu ta cho laø aùp treân tuï
naïp ñeán ñænh hình sin chænh löu vaø thôøi gian tuï xaû laø Δ t = T/2 (T laø chu kyø ñieän löôùi, baèng 20 ms
ô löôùi ñieän 50 Hz), ta coù daïng soùng tính toaùn treân hình III.1.6.b.
Io.Δt
Nhaáp nhoâ aùp treân tuï ñieän C baèng: ΔUC =
<III.1.8> (giaù trò naøy luoân lôùn hôn thöïc teá).
C
Suy ra trung bình aùp treân tuï ñieän C laø: UC = U 2 − ΔUD − 12 ΔUC <III.1.9>
vôùi U laø trò hieäu duïng aùp nguoàn , ΔUD laø suït aùp qua diod.
Khi boä nguoàn laøm vieäc khoâng taûi, trò trung bình aùp ngoû ra tieán ñeán giaù trò ñænh
cuûa hình sin chænh löuU 2 . Khi taûi ñònh möùc, trò trung bình VC coù theå beù hôn
giaù trò tính theo <III.1.9> do suït aùp treân toång trôû trong cuûa nguoàn.
GHi NHÔÙ
3. Tính toaùn ñieän aùp boä caáp ñieän tuyeán tính:
Ñeå cung caáp nguoàn moät chieàu cho caùc maïch ño löôøng vaø ñieàu khieån, ngöôøi ta caàn aùp moät
chieàu phaúng coù giaù trò khoâng ñoåi. Coù theå söû duïng caùc boä nguoàn xung (chöông IV) vôùi nhieàu öu
ñieåm hay ñôn giaûn hôn, duøng chænh löu diod coù loïc tuï ñieän ngoû ra vaø maïch oån aùp tuyeán tính.
Hình III.1.8 cho ta sô ñoà boä caáp ñieän moät chieàu ±Vo coù oån aùp tuyeán tính duøng vi maïch hoï
LM78xx (aùp ra döông) vaø LM79xx (aùp ra aâm). Löu yù vi maïch oån aùp caàn ñöôïc taûn nhieät khi doøng taûi
> 0.1A vaø ôû ngoû ra neân coù tuï hoùa (C2 ≈ 100 uF) vaø tuï khoâng cöïc tính (C3 ≈ 0.1 uF) ñeå choáng dao
ñoäng vaø ñaûm baûo taûi khoâng bò nhieãu khi laøm vieäc ôû cheá ñoä xung.
78xx
V
o
e
C3
C1
C1
C2
C2
v
- V
C3
- e
o
79xx
Hình III.1.8: Boä oån aùp tuyeán tính duøng vi maïch hoï 78xx
Hình III.1.7: Daïng aùp ra maïch oån aùp khi aùp nguoàn
quaù thaáp, khoâng ñuû cho maïch hoaït ñoäng.
Ñeå caùc boä oån aùp tuyeán tính hoaït ñoäng bình thöôøng, suït aùp ΔU qua noù caàn coù giaù trò toái
thieåu (thöôøng choïn ΔU ≥ 3V ), aùp ngoû ra UO ñöôïc tính theo aùp vaøo U nhö sau theo hình III.1.6b:
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 6 of 55
Uo = U 2 − ΔUD − ΔUC − ΔU <III.1.10>
Neáu aùp nguoàn U khoâng ñuû, suït aùp ΔU = (U 2 − ΔUD − ΔUC ) −Uo < ΔUmin laø giaù trò toái
thieåu ñeå vi maïch coù theå hoïat ñoäng bình thöôøng, ngoû ra maïch oån aùp seõ khoâng coøn phaúng nöõa (hình
III.1.7). Trong tính toaùn naøy, ta ñaõ khoâng löu yù ñeán suït aùp cuûa bieán aùp khi coù taûi, töø 10 .. 15% ñoái
vôùi bieán aùp coâng suaát beù.
Ví duï: tính aùp thöù caáp cho boä nguoàn oån aùp 5V/ 0.5A .
Io.Δt
C
0.5i0.01
=1.14volt. Söû duïng diod
Duøng tuï loïc coù ñieän dung 2200uF => ΔVC =
=
2200i10−6
caàu, ΔUD = 2volt, laáy ΔU = 3 suy ra U 2 ≥ 5+ 2 + 3+1.14 =11.14 volt hay U ≥ 8 volt, choïn aùp thöù
caáp bieán aùp baèng 9VAC ñeå coù döï tröõ .
- Ñeå boä oån aùp laøm vieäc toát, caàn ñaûm baûo suït aùp toái thieåu qua vi maïch oån aùp
ΔU (khoaûng 3 volt). Hieän nay coù hoï vi maïch oån aùp vôùi ΔU raát thaáp, cho pheùp
taïo ra nguoàn oån aùp 3.3V töø nguoàn 5 volt (ví duï LM1117).
LÖU YÙ
Khi aùp ra bò suït theo taûi, vieäc taêng ñieän dung tuï ñieän loïc nguoàn (khi ñaõ coù trò
soá khaù lôùn) thöôøng khoâng hieäu quaû vì laøm taêng suït aùp nguoàn. Bieän phaùp coù
theå duøng laø taêng aùp thöù caáp hay vaø/hay taêng coâng suaát bieán aùp nguoàn.
QUAN SAÙT
4. Boä chænh löu nhieàu xung duøng diod:
ÔÛ coâng suaât lôùn, ta söû duïng nguoàn nhieàu pha vaø boä chænh löu nhieàu diod. Daïng aùp ra seõ
goàm nhieàu xung hôn trong moät chu kyø löôùi, töông öùng vôùi khoaûng daãn cuûa caùc diod. Nhö vaäy,
daïng aùp ra seõ phaúng hôn vaø gaàn vôùi nguoàn moät chieàu lyù töôûng hôn caùc boä chænh löu moät pha.
III.2 THYRISTOR: NGAÉT ÑIEÄN LAØM VIEÄC VÔÙI NGUOÀN XOAY CHIEÀU:
1. Söï laøm vieäc cuûa thyristor vôùi nguoàn xoay chieàu:
Laäp maïch ñieän thí nghieäm nhö hình III.2.1.
u laø aùp nguoàn hình sin, boä ñieàu khieån coù taùc ñoäng
ON – OFF: cung caáp doøng cöïc coång IG ñuû lôùn ñeå
kích khôûi ñöôïc triac khi ON vaø baèng khoâng khi
OFF. Keát quaû nhaän ñöôïc (hình III.2.2.a):
- Khi boä ñieàu khieån ON: triac daãn ñieän
ngay vì noù coù theå daãn doøng theo hai cöïc tính.
Doøng qua taûi R coù cuøng daïng aùp nguoàn vì ta coù
III.2.1 Maïch TRIAC vaø nguoàn xoay chieàu, taûi R.
R.io = uo = u.
- Khi boä ñieàu khieån OFF: vì linh kieän hoï thyristor coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän
neân triac chæ taét khi aùp nguoàn u qua zero.
Hình III.2.2.a: Daïng aùp ra ñieàu khieån ON – OFF duøng
TRIAC (a), coù ñoùng ngaét luùc aùp qua zero (b)
Hình III.2.2.b: AÙp ra ñieàu khieån pha taûi trô
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 7 of 55
Nhaän xeùt:
- Khi ñieàu khieån ON – OFF, linh kieän hoï thyristor coù theå ñoùng vai troø moät ngaét ñieän chuû
ñoäng trong löôùi ñieän xoay chieàu, noù laøm vieäc theo tín hieäu ñieàu khieån cöïc coång thay vì ñoùng ngaét
thuï ñoäng (chæ theo phaân cöïc) nhö diod:
+ Thyristor daãn ñieän khi ñöôïc ñieàu khieån. Söï daãn ñieän naøy phuï thuoäc vaøo loaïi
thyristor maø laø moät chieàu (SCR) hay xoay chieàu (triac).
+ Thyristor ngaét (ngöng daãn) khi ta khoâng ñieàu khieån. Ñieàu naøy khoâng xaûy ra töùc
thôøi nhö ôû transistor, thyristor chæ taét khi aùp nguoàn xoay chieàu laøm doøng qua noù veà khoâng.
- Coù theå xem ôû ñieàu khieån ON-OFF, ngaét ñieân baùn daãn thyristor seõ thay theá
ngaét ñieän cô khí ñeå ñoùng ngaét taûi vôùi nhieàu öu ñieåm.
TOÙM TAÉT
Ñieàu khieån pha:
Moät phöông phaùp khaùc phöùc taïp hôn, chæ cho pheùp thyristor daãn ñieän moät phaàn cuûa chu kyø
hình sin goïi laø ñieàu khieån pha (hình III.2.2.b). Thyristor seõ daãn ñieän khi ñöôïc kích vaø taét khi
doøng qua noù veà khoâng ôû cuoái baùn kyø. Nhö vaäy, phöông phaùp naøy cho ñieän aùp ngoû ra. Ñeå ñieàu
khieån pha, tín hieäu ñieàu khieån caùc SCR hay triac phaûi coù cuøng taàn soá vôùi löôùi ñieän (ñeå coù theå
ñoùng ngaét ôû moãi chu kyø) vaø goùc leäch pha thay ñoåi ñöôïc. Goùc leäch pha naøy ñöôïc goïi laø goùc ñieàu
khieån pha α − coøn goïi laø goùc thoâng chaäm (angle of retard, delayed angle).
Goùc ñieàu khieån pha (ÑKP) α ñöôïc tính töø vò trí goác (coøn goïi laø vò trí α = 0) goïi laø goùc
chuyeån maïch töï nhieân hay khoâng coù ñieàu khieån. Goùc chuyeån maïch töï nhieân naøy laø ñieåm thyristor
baét ñaàu daãn ñieän khi ta cung caáp doøng cöïc coång lieân tuïc, töông öùng vôùi tröôøng hôïp thay theá
thyristor baèng diode) vaø taûi maïch ñieän laø thuaàn trôû. Coù theå deå daøng thaáy laø khi α = 0, aùp ra seõ cöïc
ñaïi. Moät thoâng soá khaùc cuûa sô ñoà ñieàu khieån laø beà roäng xung kích thyristor phaûi ñöôïc choïn thích
hôïp ñeå coù phaïm vi thay ñoåi goùc ÑKP roäng nhaát, töø giaù trò aùp ra toái thieåu (thöôøng baèng 0) töông
öùng α = αMAX ñeán aùp ra cöïc ñaïi α = 0 ôû taûi thuaàn trôû.
2. Khaûo saùt chænh löu 1 SCR ñieàu khieån pha:
Chænh löu 1 SCR ít thoâng duïng nhöng vieäc khaûo saùt chænh löu 1 SCR laïi coù yù nghiaõ raát lôùn
vì noù chính laø cô sôû cho lyù luaän vaø tính toaùn caùc sô ñoà phöùc taïp hôn sau naøy. Cuøng vôùi vieäc söû
duïng SCR, ta laøm quen vôùi sô ñoà phaùt xung ñieàu khieån caùc ngaét ñieän, laø giaûn ñoà thôøi gian trong ñoù
luaät ñieàu khieån ngaét ñieän theå hieän baèng logic hai traïng thaùi:
ON (hay 1 hay High): cho pheùp ngaét ñieän hoaït ñoäng baèng caùch cung caáp tin hieäu ñieàu khieån
(doøng cöïc coång cho SCR hay doøng cöïc neàn cho BJT) coù bieân ñoä ñuû lôùn .
OFF (hay 0 hay Low): ngöng cung caáp tín hieäu ñieàu khieån, khi ñoù hoaït ñoäng cuûa ngaét ñieän
chæ coøn phuï thuoäc vaøo ñaëc tính heä thoáng luùc ñoù.
Vôùi cuøng maïch ñoäng löïc, hoaït ñoäng cuûa caùc BBÑ coù theå thay ñoåi theo sô ñoà ñieàu khieån.
a. Khaûo saùt vôùi taûi R:
Tín hieäu ñieàu khieån SCR T1 laø doøng iG coù taàn soá löôùi ñieän, leänh pha goùc α (hình III.2.3.b).
ôû wt = 0 SCR T ñöôïc phaân cöïc thuaän nhöng chöa daãn ñieän vì chöa ñöôïc kích cho ñeán wt
= α, SCR daãn ñieän:
aùp ra uo = u = R.io => doøng taûi io cuøng daïng hình sin vôùi aùp nguoàn.
vaâïy io = 0 ôû cuoái baùn kyø vaø SCR taét cho ñeán khi ñöôïc kích ôû chu kyø keá.
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 8 of 55
uo
T1
i
io
u
o
2
0
Ñieàu
khieån
wt
wt
u
α
γ = π − α
o
R
u
i
G1
(a)
Hình III.2.3: Maïch ñieän (a) vaø daïng doøng aùp
chænh löu 1 SCR (b)
2π
wt
π
u
T1
U 2
Trò trung bình aùp ra:
(b)
π
UO =
2π uO.dwt =
u.dwt =
(cosα +1) <III.2.1>
1
1
U 2
2π
∫
∫
0
α
2π
2π
Khi α = 0, ta coù laïi tröôøng hôïp chænh löu diod.
Vì doøng taûi io = uo / R , coù theå tích phaân tröïc tieáp hay duøng nguyeân lyù xeáp choàng ñeå tính
trung bình doøng taûi : IO =UO / R
Trò soá hieäu duïng aùp ngoû ra:
2π
π
π
UoR =
uo.dwt =
uo.dwt =
u .dwt =U
π sin2 wt.dwt
2
2
2
1
2π
1
2π
1
2π
1
π
∫
∫
∫
∫
0
α
α
α
<III.2.2>
π
1
1
1
UoR = U
π (1 − cos 2wt).dwt =U 2π [wt− 12 sin 2wt]α = U 2π (π −α + 12 sin 2α)
2π
∫
α
Khi α = 0, ta coù trò hieäu duïng aùp ra chænh löu diod baèng U / 2 = 0.707U , lôùn hôn giaù trò
trung bình.
AÙp rôi treân SCR uT baèng khoâng khi SCR ñaãn ñieän hay baèng aùp nguoàn u khi doøng taûi baèng
khoâng (hình III.2.3): uT = u – R.io
- Khi ñieàu khieån pha, SCR daãn ñieän chaäm ñi so vôùi diod ôû cuøng vò trí, nhôø vaäy
ta coù theå ñieàu khieån (giaûm) aùp ngoû ra.
GHI NHÔÙ
- Vôùi taûi R, aùp vaø doøng taûi coù cuøng daïng.
b. Khaûo saùt vôùi taûi RL:
Khaûo saùt töông töï tröôøng hôïp R.
Taûi RL coù thoâng soá: toång trôû taûi Z = R2 +
wL
R
(
ωL
2 vaø goùc pha φ = tg−1
)
ÔÛ wt = α : SCR ñöôïc kích, noù daãn ñieän vì ñang phaân cöïc thuaän, phöông trình maïch ñieän
luùc naøy: uo = uR + uL = u hay
dio
uo = R.io + L
= u = U 2 sin wt
dt
vôùi ñieàu kieän ñaàu laø khi wt = α , io = 0
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 9 of 55
T1
i
o
R
L
u
o
u
Hình III.2.6: Chænh löu 1 SCR taûi RL
Doøng taûi io coù daïng iO = iO1 + iO2 vôùi
* iO1 laø thaønh phaàn xaùc laäp, laø doøng qua maïch vôùi nguoàn hình sin u:
U 2
io1 =
sin(ωt−φ)
Z
2
2
toång trôû taûi Z = R + ωL
(
)
wL
R
vaø goùc pha taûi φ = tg−1
* iO2 laø thaønh phaàn quaù ñoä, laø nghieäm cuûa
phöông trình khoâng veá hai:
dio
dt
0 = R⋅io + L⋅
−t
τ
L
i
= Ae
vôùi thôøi haèng τ =
, Haèng soá
o2
R
tích phaân A xaùc ñònh töø ñieàu kieän ban ñaàu
−α
U 2
Z
ω⋅τ
0 =
sin(α −φ) + Ae
suy ra bieåu
Hình III.2.7: Phaân tích caùc thaønh phaán aùp
ngoû ra.
thöùc doøng ñieän ngoû ra iO nhö sau:
−(ωt−α )
U 2
⎡
⎤
⎦
ω⋅τ
io =
sin(ωt−φ) − sin(α −φ)⋅e
<III.2.3 >
⎢
⎥
Z
⎣
Caùc thaønh phaàn doøng ñieän iO ñöôïc veõ treân hình III.2.7ø.
Khi wt = α + γ doøng veà khoâng:
−γ
ω⋅τ
iO = 0 suy ra sin(α + γ − φ) − sin(α − φ)⋅ e
= 0 <III.2.4 > hay:
−γ
ω⋅τ
sin( α + γ − φ ) = sin( α − φ )⋅ e
<III.2.4* >
γ : beà roäng xung ñieän aùp ngoû ra (trong tröôøng hôïp naøy cuõng laø goùc daãn cuûa SCR). Phöông
trình <III.2.4*> chæ coù theå giaûi baèng phöông phaùp soá. Phuï luïc III.1 trình baøy caùch duøng coâng cuï
GOAL SEEK cuûa Excel ñeå giaûi <III.2.4* >.
Töø hình III.2.7, coù theå nhaän xeùt goùc daãn γ > π − α: doøng qua SCR taêng leân töø giaù trò
khoâng vaø chæ baèng khoâng khi ñaõ qua baùn kyø aâm. Hieän töôïng naøy coù theå giaûi thích baèng ñaëc tính
cuûa töï caûm L laø choáng laïi söï thay ñoåi cuûa doøng ñieän qua noù. Khi thyristor baét ñaàu daãn, doøng qua
dio
maïch taêng leân töø giaù trò khoâng. Khi ñoù uL = L
> 0, L ñöôïc naïp naêng löôïng vaø suït aùp qua R beù
dt
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 10 of 55
hôn aùp nguoàn. Khi aùp nguoàn u giaûm, iO giaûm vaø uL < 0, L ñöôïc xaû naêng löôïng laøm taêng hieäu theá
qua R, cho pheùp doøng qua noù vaãn coøn khi aùp nguoàøn ñaõ aâm. uL laø phaàn dieän tích gaïch soïc thaúng
ñöùng treân, uR laø phaàn coù chaám ôû hình III.2.7.
Coù goùc daãn γ, ta tính ñöôïc:
α+γ
1
T
1
2π
Trò trung bình doøng IO :
I =
i dt =
i dwt
o
o
o
∫
T
∫
α
1 U 2 α +γ
−(ωt−α )
⎡
⎣
⎤
ω⋅τ
Io =
sin(ωt−φ) −sin(α −φ)⋅e
dwt < III.2.5>
∫
⎢
⎥
⎦
2π
Z
α
α+γ
2
2
1
T
1
2π
Vaø trò hieäu duïng doøng IOR: I
=
(
i
)
dt =
i
( )
o
dwt
OR
o
∫
T
∫
α
α +γ
2
−(ωt−α )
U 2
Z
⎡
⎤
1
2π
ω⋅τ
IOR
=
sin(ωt−φ) −sin(α −φ)⋅e
dwt < III.2.6>
∫
⎢
⎣
⎥
⎦
α
Hai tích phaân naøy coù theå thöïc hieän ñöôïc nhöng keát quaû khoâng ñaëc saéc, coù theå xem nhö
moät baøi taäp.
- Khi taûi coù töï caûm, ñieän aùp caûm öùng cuûa noù coù theå giuùp cho SCR tieáp tuïc
daãn ñieän khi aùp nguoàn aâm.
GHI NHÔÙ
- Trò trung bình aùp ngoû ra taûi R tính theo coâng thöùc <III.2.5>, giaûm khi taûi coù
L vì beà roäng xung aùp γ taêng laøm aùp ngoû ra coù phaàn aâm (hình III.2.6).
Baøi taäp: Söû duïng
GOAL SEEK cuûa Excel ñeå
giaûi <III.2.4>:
Goal Seek laø coâng cuï
doø tìm giaù trò moät bieán ñeå
moät bieåu thöùc ñaït giaù trò cho
tröôùc cuûa baûng tính. Löu yù
caùc haøm löôïng giaùc cuûa
Excel maëc ñònh coù ñôn vò laø
radian.
Maøn hình Excel ñeå tìm goùc daãn khi cho tröôùc goùc kích.
3. Diod phoùng ñieän (diod zero, diod baùnh ñaø):
Nhö ñaõ khaûo saùt trong muïc vöøa roài, xung doøng qua caùc ngaét ñieän ñöôïc keùo daøi khi aùp
nguoàn giaûm veà khoâng hay aâm khi khi cuoän daây traû laïi naêng löôïng tích tröõ. Moät taùc duïng phuï
nhöng quan troïng cuûa naêng löôïïng tích tröõ trong cuoän daây laø khaû naêng gaây quaù ñieän aùp khi doøng
qua cuoän daây bò ngaét ñoät ngoät, ví duï nhö maïch ñoùng ngaét cuoän daây rô le trong hình III.2.9a. Thöïc
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 11 of 55
i
o
R
L
T
D
v
o
u
Hình III.2.8: Chænh löu 1 SCR coù diod
phoùng ñieän
vaäy, aùp rôi qua töï caûm L = L.di/dt seõ raát lôùn khi doøng qua noù thay ñoåi ñoät ngoät (töông öùng vôùi
di/dt taêng leân raát cao). Diod phoùng ñieän Df coù nhieäm vuï kheùp kín maïch, taïo ñöôøng phoùng ñieän
cho cuoän daây rôle khi khoùa K môû ra.
Taùc duïng thöù hai cuûa diod phoùng ñieän laø laøm cho doøng qua cuoän daây lieân tuïc vaø ít nhaáp
nhoâ hôn. Trong caùc sô ñoà chænh löu, diod phoùng ñieän D seõ laøm cho aùp ngoû ra khoâng theå aâm (hình
III.2.9b). Doøng phoùng qua Dfù coù daïng haøm muõ, giaûm veà khoâng chaäm hôn tröôøng hôïp khoâng coù
noù.
III.3 ÑIEÀU KHIEÅN PHA AÙP XOAY CHIEÀU:
1. Khaûo saùt sô ñoà moät pha:
Khi thay theá SCR trong hình III.3.5 baèng triac hay hai SCR song song ngöôïc, doøng taûi coù
theå ñaõo chieàu, ta coù BBÑ aùp xoay chieàu, sô ñoà moät pha (hình III.3.1). Daïng xung ñieàu khieån
cuõng coù thay ñoåi: xung roäng thay cho xung heïp vaø coù ôû hai baùn kyø.
a. Taûi ñieän trôû:
uo
io
Maïch hoaït ñoäng gioáng nhö tröôøng hôïp
chænh löu moät SCR (muïc III.2.2.a) nhöng triac laø
linh kieän daãn ñieän 2 hai chieàu.
u
2
0
wt
wt
α
γ = π − α
i
T1
T2
o
T
i
G
R
u
u
o
2π
wt
π
uT
Hình III.3.1: BBÑ aùp xoay chieàu moät pha duøng triac.
Taïi wt = 0, ñoùng nguoàn. T khoâng daãn neân doøng taûi iO = 0
=> aùp ra vO = 0, aùp treân TRIAC uT = u – uO = u > 0. Triac phaân cöïc thuaän.
Taïi wt = α , coù doøng kích iG vaø uT > 0 => T daãn ñieän, ta coù:
uT = 0, uO = u => iO = u/R coù daïng hình sin nhö ñieän aùp.
Taïi wt = π , uO = 0, iO = 0 => T taét .
Trong baùn kyø aâm, daïng aùp doøng ñöôïc laäp lai, nhöng vôùi giaù trò ngöôïc laïi.
- Trò hieäu duïng aùp treân taûi:
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 12 of 55
π
2
1
T
1
π
1
π
UOR
=
u dt =
(U 2 sinωt)2dωt = U
π −α + 1 sin2α <III.3.1>
(
)
2
∫
T
∫
α
Kieåm tra laïi: khi α = 0 , aùp ra baèng aùp nguoàn UOR = U . Vì doøng coù cuøng daïng vôùi aùp ( taûi
thuaàn trôû), trò hieäu duïng doøng qua taûi:
UOR
R
U
R
1
π
IOR
=
=
π −α + 1 sin2α <III.3.2 >
(
)
2
- Coâng suaát:
2
2
u
R
U
(
)
)
1
1
o
OR
P =
uo ⋅iodt =
dt =
<III.3.3 >
O
∫
T
∫
T
T
T
R
Bieåu thöùc naøy vaãn gioáng nhö tröôøng hôïp nguoàn hình sin vì do taûi thuaàn trôû, daïng doøng aùp
treân taûi vaãn gioáng nhau.
- HSCS cuûa maïch nhoû hôn 1 do doøng qua nguoàn khoâng hình sin.
Baøi taäp: Tìm bieåu thöùc toång quaùt cuûa HSCS khi ñieàu khieån pha aùp AC taûi R.
Giaûi: S = U*IOR PO = R*(IOR)2=(UOR)2/R
=> HSCS = PO / S =UOR / U.
HSCS chæ baèng 1 khi α = 0.
Ví duï: Tìm goùc ÑKP α ñeå coâng suaát ra baèng ½ coâng suaát cöïc ñaïi (khi ñoùng tröïc tieáp vaøo
nguoàn).
Giaûi: Giaûi tröïc tieáp baøi toaùn ngöôïc suy töø phöông trình <III.3.1> khoâng thöïc hieän ñöôïc, töø
<III.3.2 >, ta coù
2
2
u
R
u
R
(
)
( )
2
u 2 dt
( )
o
1
T
1
2
1
T
1
2
P =
dt = ⋅ PMAX
=
dt hay
u
dt =
)
O
o
∫
T
∫
T
∫
T
∫
T
=> Ta caàn coù tích phaân cuûa bình phöông aùp ra vO baèng ½ tích phaân cuûa bình phöông aùp
nguoàn v , do tính ñoái xöùng cuûa hình sin, suy ra α = 90 O . Coù theå kieåm tra laïi baèng tính toaùn theo
<III.3.1 > vaø <III.3.2 >, tröôøng hôïp naøy aùp ra uO coù trò hieäu duïng laø U / 2 .
Baøi taäp: Söû duïng GOAL SEEK cuûa Microsoft Excel ñeå giaûi baøi toaùn ngöôïc cuûa<III.3.1>:
Tính goùc kích triac ñeå coù hieäu duïng aùp ra baèng giaù trò mong muoán. Tính baèng soá: Hieäu duïng aùp
ngoû ra UOR = 110V öùng vôùi nguoàn U = 220V hieäu duïng
b. Taûi RL:
Vôùi nhaän xeùt laø ôû moãi baùn kyø, ta laïi
coù tröôøng hôïp chænh löu 1 SCR muïc III.2.1,
ta coù daïng doøng aùp taûi RL laøm vieäc vôùi
uo
io
u
wt
2
BBÑ aùp xoay chieàu treân hình III.3.2.
0
α
γ
Doøng taûi taêng töø zero khi triac ñöôïc
kích vaø keùo daøi qua phaàn aùp nguoàn ñaõo
cöïc tính: beà roäng xung doøng γ > π − α laø
Hình III.3.2: Daïng doøng aùp taûi RL laøm vieäc vôùi BBÑ aùp
xoay chieàu.
nghieäm cuûa phöông trình <III.2.4*>
−γ
ω⋅τ
sin( α + γ − φ ) = sin( α − φ )⋅ e
Trò hieäu duïng aùp ra:
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 13 of 55
α +γ
2
1
T
1
π
UoR =
= U
uo dt
=
(U 2 sinωt)2dωt
∫
1
π
∫
T
<III.3.3>
α
γ + 1 [sin 2α −sin 2(α +γ )]
(
)
2
Bieåu thöùc tính trò hieäu duïng doøng ra coù daïng raát phöùc taïp vì iO coù caû haøm sin vaø haøm muõ,
khoâng tieän tính toaùn baèng giaûi tích. Trong phuï luïc ôû cuoái chöông, phöông phaùp tính toaùn beà roäng
xung doøng (hay goùc daãn ñieän cuûa SCR) γ, caùc ñaëc tröng cuûa doøng ñieän trong boä bieán ñoåi ñieàu
khieån pha baèng ñoà thò ñöôïc trình baøy.
Caùc nhaän xeùt:
* AÙp ra baèng khoâng khi α = αMAX = 180 O.
* Goùc α toái thieåu vôùi taûi RL ( phaïm vi ñieàu chænh goùc ñieàu khieån pha taûi RL ) baèng φ.
O
Thöïc vaäy, khi α giaûm, goùc daãn γ taêng. Khi γ = 180 , xung doøng baùn kyø döông noái lieàn xung
doøng cuûa baùn kyø aâm (doøng ñieän laø lieân tuïc), aùp ra uO ñaït cöïc ñaïi vaø baèng aùp vaøo u. vôùi aùp ñaët
vaøo laø hình sin, doøng ra hình sin vaø leäch vôùi aùp goùc φ laø goùc taûi RL. Vaäy goùc ñieàu khieån pha cöïc
tieåu ñeå coøn ñieàu khieån ñöôïc aùp ra laø goùc φ taûi. Coù theå theá vaøo <III.2.4*> ñeå kieåm tra.
Khi kích caùc thyristor vôùi xung coù α < φ, aùp ra khoâng thay ñoåi. Ta noùi laø heä thoáng khoâng
coøn ñieàu khieån ñöôïc khi α < φ.
* Yeâu caàu kích xung roäng: Khi ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu, xung kích caùc thyristor caàn
laø xung roäng ñeå ñaûm baûo maïch laøm vieäc bình thöôøng khi α < φ. Ñoái vôùi sô ñoà moät pha, ngöôøi ta
thöôøng duøng xung coù beà roäng (π − α) nhö treân hình III.3.2).
Ñeå chöùng toû söï caàn thieát naøy, ta quan saùt hình III.3.3 moâ taû quaù trình quaù ñoä BBÑ aùp xoay
chieàu moät pha taûi RL kích baèng xung roäng khi goùc ÑKP α < φ. ÔÛ baùn kyø ñaàu tieân, T1 seõ daãn
ñieän ngay khi ñöôïc kích. Do α < φ, goùc daãn γ cuûa T1 lôùn hôn π vaø ñeán baùn kyø thöù hai, khi T2 coù
xung cöïc coång, T1 vaãn coøn daãn, neân T2 vaãn bò ñaët aùp aâm vaø T2 seõ daãn ñieän ngay khi doøng T1 veà
khoâng ( T1 taét ). Aùp ra uO vaãn baèng aùp nguoàn u laø giaù trò lôùn nhaát coù theå coù. Nhö vaäy coù theå xem
T2 ñöôïc kích vôùi goùc ÑKP lôùn hôn giaù trò α cuûa maïch ñieàu khieån cung caáp nhöng vaãn lôùn hôn φ
vaø goùc daãn γ cuûa noù tieáp tuïc lôùn hôn π . Moïi vieäc xaûy ra töông töï ôû caùc baùn kyø sau. Ñeå yù laø duø
caùc goùc daãn thay ñoåi, chuùng luoân lôùn hôn π vaø aùp ra uO vaãn baèng aùp nguoàn v. Quaù trình quaù ñoä
naøy seõ chaám döùt khi doøng trôû thaønh hình sin vaø leäch pha vôùi aùp goùc φ.
Hình III.3.3: Quaù trình quaù ñoä boä ÑKP aùp xoay chieàu moät pha.
Cuõng coù theå chöùng toû söï caàn thieát cuûa xung roäng khi chöùng minh maïch hoaït ñoäng khoâng
bình thöôøng khi thyristor baèng xung heïp. Thöïc vaäy, T2 seõ khoâng theå daãn ñieän sau khi T1 taét vì
khi ñoù khoâng coøn doøng cöïc coång. ÔÛû baùn kyø thöù 3, T1 laïi daãn vaø ñeán baùn kyø thöù 4, T2 cuõng khoâng
theå laøm vieäc nhö ta mong muoán.
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 14 of 55
- boä ñieàu khieån aùp AC coù theå thay ñoåi aùp ra nhö moät Variac, nhöng vôùi cuøng moät goùc
kích thyristor, aùp ngoû ra seõ thay ñoåi theo ñaëc tính taûi.
GHI NHÔÙ
- Khi söû duïng cho taûi coù töï caûm lôùn, caàn phaûi kích SCR baèng xung roäng.
Baøi taäp: Duøng PSIM haûo saùt BBÑ
aùp xoay chieàu ba pha taûi thuaàn trôû (hình
III.3.4).
a. Treân hình III.3.5a trình baøy aùp pha ua,
aùp daây uab taûi vôùi daïng xung kích caùc
SCR baèng 120O). Xaùc ñònh khoaûng daãn
cuûa caùc SCR vaø ghi chuù vaøo hình veõ caùch
taïo ra hai daïng soùng aùp ngoû ra ua, uab .
Hình
Maïch ñoäng löïc
III.3.4:
b. Cuõng töø hình III.3.5a naøy, giaûi thích lyù
do vì sao ta caàn xung kích caùc SCR keùo
daøi (töø α deán 7π/6 ñoái vôùi SCR 1)
Hình
III.3.5a:
Daïng xung ñieàu
khieån, aùp pha
taûi ua vaø aùp daây
taûi
α
uab
ôû
=
120O
(tröôøng hôïp moãi
luùc chæ coù 2
SCR laøm vieäc).
Hình III.3.5b: AÙp pha taûi
ua vaø aùp daây taûi uab ôû a
= 40O (tröôøng hôïp coù
luùc 3 SCR laøm vieäc). AÙp
pha A ñöôïc veõ choàng
leân ua ñeå deã so saùnh
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 15 of 55
c. Hình III.3.12b trình baøy aùp pha ua, aùp daây uab taûi ôû goùc ñieàu khieån pha baèng 40O. Töï veõ caùc
daïng xung kích SCR, xaùc ñònh khoaûng daãn cuûa caùc SCR vaø ghi chuù vaøo hình veõ caùch taïo ra hai
daïng soùng aùp ngoû ra ua, uab .
Höôùng daãn: - Nguyeân taéc ñaày ñuû cuûa ñieàu khieån maïch ñieän xoay chieàu laø seõ coù tín hieäu ñieàu khieån
ôû nhöõng khoaõng thôøi gian maø ngaét ñieän coù theå laøm vieäc. Töø daïng xung ñieàu khieån coù theå kieåm tra
phaân cöïc ñeå xaùc ñònh caùc SCR daãn ñieän, vì laø taûi R neân SCR seõ taét khi doøng (aùp) taûi baèng 0.
- Coù ba tröôøng hôïp coù theå xaûy ra: 2 SCR treân 2 pha daãn ñieän cung caáp 1 aùp daây cho
taûi, 3 SCR treân 3 pha laøm vieäc cung caáp nguoàn 3 pha cho taûi vaø tröôøng hôïp chæ coù 1 SCR coù xung
ñieàu khieån ñöôïc phaân cöïc thuaän thì noù cuõng khoâng theå laøm vieäc ñöôïc vì doøng qua taûi baèng 0.
4. ÖÙng duïng:
Trong khaûo saùt lyù thuyeát, triac vaø hai SCR song song ngöôïc coù cuøng hoaït ñoäng nhöng
trong thöïc teá, vieäc söû duïng hai linh kieän treân coù söï phaân bieät raát roõ raøng. Triac ñöôïc duøng roâïng
raõi trong daân duïng nhöng chæ duøng cho taûi thuaàn trôû hay doøng ñieän beù (vaøi chuïc A) trong coâng
nghieäp. Khi taûi coù tính caûm khaùng cao (ñoäng cô) hay coâng suaát lôùn, sô ñoà hai SCR song song
ngöôïc luoân ñöôïc söû duïng.
a. Ñieàu khieån ON – OFF:
R
33
In
G
Ñieàu
khieån
0.1u
Out
(b) Söû duïng opto triac ñeå dieàu khieån ON-OFF
(a) Sô ñoà khoái rô le baùn daãn
Hình III.3.6: ÖÙng duïng ñieàu khieån ON – OFF
Thyristor thay theá ngaét ñieän cô khí ñeå ñoùng ngaét taûi xoay chieàu vôùi nhieàu öu ñieåm, ñöôïc
goïi laø rô le hay contactor baùn daãn (SSR - solid state relay ).
- Sô ñoà khoái cuûa rô le baùn daãn cho ôû hình III.3.6.a: Ngoû vaøo cuûa SSL noái boä ñieàu khieån
TRIAC qua boä caùch ly, treân hình laø boä gheùp tín hieäu duøng quang hoïc (optron). Khi diod phaùt
quang cuûa optron coù doøng, transistor ngoû ra seõ baûo hoøa, taùc ñoäng leân maïch ñieàu khieån cung caáp
doøng kích cho TRIAC.
Öu ñieåm: SSR khoâng taïo ra tia löûa ñieän khi ñoùng ngaét, soá laàn vaø taàn soá ñoùng ngaét cho
pheùp raát cao, coâng suaát ñieàu khieån raát beù - coù theå taùc ñoäng tröïc tieáp töø maïch vi ñieän töû, coù theå
tích hôïp vôùi caùc boä ñieàu khieån ñieän töû khaùc ñeå ñöôïc nhieàu tính naêng môùi.
Nhöôïc ñieåm: khaû naêng quaù taûi keùm, hoûng khoâng phuïc hoài ñöôïc, nhaïy vôùi nhieãu, nhieät …
Rô le, contactor baùn daãn thöôøng ñöôïc duøng thay theá rô le, contactor cô khí khi caàn soá laàn
ñoùng ngaét lôùn, maïch caáp ñieän cho bieán aùp maùy haøn ñieän trôû (haøn tieáp xuùc), ñieàu khieån loø ñieän
hay caàn taùc ñoäng nhanh (nhö oån aùp xoay chieàu hay UPS) …
- Opto triac laø phaàn töû ñieàu khieån triac coâng suaát beù (vaøi kw) raát hieäu quaû.
QUAN SAÙT
b. BBÑ aùp xoay chieàu:
BBÑ aùp xoay chieàu coù caùc ñaëc ñieåm chung cuûa caùc thieát bò baùn daãn coâng suaát. Öu ñieåm laø
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 16 of 55
hieäu suaát cao, kích thöôùc beù, saün saøng cho ñieàu khieån töï ñoäng… vaø nhöôïc ñieåm laø aùp ra khoâng lyù
keùm. Ta coù theå duøng BBÑ aùp xoay chieàu ñeå chænh ñoä saùng ñeøn coù tim, trong caùc boä nguoàn coâng
nghieäp vaø trong ñieàu khieån ñoäng cô.
R
R
R
L
L
L
T1
T4
T1
T1
T1
T2
T2
T2
Taûi
Taûi
Taûi
TRIAC A
TRIAC B
TRIAC C
Taûi
T2
T5
T3
T6
(a) duøng ba sô ñoà moät pha
(b) sô ñoâ ñieàu khieån ba pha.
Hình III.3.7: BBÑ aùp xoay chieàu ba pha
- boä ñieàu khieån aùp AC coù nhieàu öùng duïng hieäu quaû trong thieát bò gia duïng,
coøn trong coâng nghieäp thöôøng ñöôïc duøng cho khôûi ñoäng ñoäng cô AC.
GHI NHÔÙ
III.4 KHAÛO SAÙT MOÄT SOÁ SÔ ÑOÀ CHÆNH LÖU ÑIEÀU KHIEÅN PHA:
Vôùi tính caùch laø chænh löu coù ñieàu khieån, SCR coù theå thay theá diod trong caùc sô ñoà chænh
löu ñeå ñieàu khieån aùp ngoû ra khi söû duïng phöông phaùp ñieàu khieån pha. Chænh löu SCR coøn goïi laø
chænh löu ñieàu khieån pha vì ñaây cuõng laø phöông phaùp ñieàu khieån duy nhaát duøng cho chænh löu
SCR. Trong phaàn naøy, ta chæ khaûo saùt caùc tính chaát cô baûn cuûa caùc boä chænh löu SCR trong ñieàu
kieän lyù töôûng: ngaét ñieän ñoùng ngaét töùc thì, khoâng suït aùp, nguoàn khoâng coù toång trôû trong… ñeå hình
dung ñöôïc hoaït ñoäng cuûa chuùng. Caùc ñaëc tính thöïc teá vaø moät soá tính chaát phöùc taïp hôn ñöôïc khaûo
saùt trong muïc tieáp theo.
1. Sô ñoà chænh löu SCR hai xung: hình III.4.1.(a) vaø (b)
Gioáng nhö chænh löu diod, chænh löu hai xung duøng SCR cuõng coù hai sô ñoà: caàu 1 pha vaø
bieán aùp coù ñieåm giöõa. ÔÛ sô ñoà caàu hình III.4.1.a, caùc caëp SCR T1, T4 vaø T2, T3 coù cuøng xung
ñieàu khieån laàn löôït laø iG1 vaø iG2 treân hình III.4.1.b. iG1 vaø iG2 cuõng laø xung ñieàu khieån cho T1 vaø
T2 trong sô ñoà söû duïng bieán aùp coù ñieåm giöõa.
Khaûo saùt tröôøng hôïp taûi thuaàn trôû:
T1
Tr
T2
T1
i
o
T2
uo
io
u
i
u
n
u
u
o
u
2
o
0
T3 T4
wt
wt
α
γ = π − α
(a)
(b)
i
G1
i
Hình III.4.1: Sô ñoà vaø daïng aùp, doøng chænh löu 2 xung
ÑK pha
G2
Vôùi nhaän xeùt aùp phaân cöïc caùc SCR cuõng gioáng nhö sô ñoà chænh löu diod, T1, T4 ñöôïc
phaân cöïc thuaän ôû baùn kyø döông va øT2, T3 ôû baùn kyø aâm. Thöïc vaäy ôû t = 0+:
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 17 of 55
iO = 0 => uO = 0 vaø uT1 + uT4 = u− uO > 0 : vaäy T1 vaø T4 ñöôïc phaân cöïc thuaän.
Khi wt = α , T1 vaø T4 daãn ñieän vì coù xung ñieàu khieån:
uO = u = R.iO => doøng taûi coù cuøng daïng vôùi aùp neân SCR taét luùc wt = π => beà roäng
xung aùp γ = π − α . Trò trung bình aùp ra:
π
Uo =
u⋅dwt =
π U 2 sinwt⋅dwt => Uo =
α
cosα +1 <III.4.1>
1
1
U 2
π
[
]
∫
∫
α
π
π
Khi α = 0, ta coù daïng soùng chænh löu 2 xung duøng diod vaø <III.4.1> trôû veà daïng <III.1.2>.
uo
R
Uo
R
Giaù trò töùc thôøi doøng ñieän taûi io =
⇒ trò trung bình doøng taûi Io =
<III.4.2>
π
2
2
Hieäu duïng aùp ra tính baèng tích phaân khaù phöùc taïp: UoR =
u .dwt
∫
2π
α
Hieäu duïng doøng ra cuõng baèng hieäu duïng nguoàn ñieän khi ñeå yù caàu chænh löu chæ thay ñoåi
chieàu cuûa doøng ñieän:
UoR
R
IoR = IR =
uo
io
Khaûo saùt sô ñoà chænh löu duøng bieán aùp coù
wt
wt
2
ñieåm giöõa (hình III.4.1.b) cho keát quaû töông töï.
0
Tröôøng hôïp taûi RL:
α
γ
u
Phöông phaùp khaûo saùt gioáng nhö tröôøng
hôïp taûi trôû. ÔÕ wt = α , T1 vaø T4 seõ daãn ñieän khi
ñöôïc kích, phöông trình vi phaân moâ taû maïch ñieän:
i
G1
i
G2
uo = Rio + L di = u = U 2 sinwt
o
dt
Hình III.4.3: Daïng doøng, aùp ra chænh löu 2 xung, taûi
RL vôùi doøng giaùn ñoaïn
Vôùi ñieàu kieän ban ñaàu i
= 0
o
wt=α
Ñaây cuõng laø phöông trình doøng qua maïch cuûa tröôøng hôïp chænh löu 1 SCR vaø coù nghieäm:
−(ωt−α )
U 2
Z
⎡
⎤
ω⋅τ
io =
sin(ωt−φ) − sin(α −φ)⋅e
<III.3.3>
⎢
⎣
⎥
⎦
wL
R
2
vôùi toång trôû taûi Z = R + ωL vaø goùc pha φ = tg−1
2
(
)
doøng ñieän iO taêng leân töø khoâng vaø giaûm veà khoâng khi aùp ra coù giaù trò aâm (hình III.4.3). Beà
roäng xung doøng taûi (cuõng laø goùc daãn cuûa SCR) γ > (π − α), coù theå xaùc ñònh theo <III.3.4*> .
Qua baùn kyø aâm, hoaït ñoäng cuûa maïch dieãn ra töông töï: Khi wt = π + α, SCR T2 vaø T3 daãn
ñieän vaø uO = − u, ta vaãn coù xung doøng döông.
Ñeå tính trò trung bình aùp ra, ta chæ caàn tích phaân trong baùn kyø:
2π
α +γ
1
1
U 2
π
⎡
⎤
<III.4.3>
Uo =
uodwt =
u⋅dwt =
cosα − cos α +γ
(
)
∫
∫
⎣
⎦
0
α
2π
π
nhö vaäy trung bình aùp ra phuï thuoäc beà roäng xung doøng taûi γ, thay ñoåi theo taûi RL. Trò trung
bình vaø hieäu duïng doøng taûi coù theå nhaän ñöôïc khi tích phaân <III.3.3>trong moät nöõa chu kyø. Nhöng
ta cuõng coù theå deã daøng tính trò trung bình doøng taûi töø trò trung bình aùp ra khi aùp duïng nguyeân lyù
xeáp choàng, coâng thöùc nhaän ñöôïc gioáng nhö tröôøng hôïp chænh löu diod.
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 18 of 55
Uo
R
Io =
<III.4.4>
Tröôøng hôïp taûi doøng lieân tuïc:
Khi L ñuû lôùn vaø goùc ñieàu khieån pha beù, beà roäng xung γ taêng ñeán giaù trò giôùi haïn π . Khi ñoù
SCR keá tieáp ñöôïc kích khi doøng taûi chöa veà khoâng (hình III.4.4). SCR ñang daãn seõ taét vì bò ñaët aùp
aâm. Ñeå khaûo saùt tröôøng hôïp naøy, xeùt chu kyø töïa xaùc laäp, khi maø daïng doøng aùp ngoû ra laäp laïi
trong moãi chu kyø löôùi ñieän.
Treân hình III.4.4 trong khoaûng
0 < wt < α , T2, T3 ñang daãn doøng
taûi. AÙp ra uO < 0 vaø T1, T4 ñöôïc phaân
cöïc thuaän.
uo
io
wt
π
2π
wt ≥ α : T1, T4 daãn ñieän khi
coù doøng kích. T2, T3 taét vì neáu tieáp
tuïc daãn thì doøng qua noù seõ chaïy ngöôïc
töø K sang A. Ta coù söï chuyeån maïch
doøng taûi töø SCR ñang daãn sang SCR
ñöôïc kích.
u
γ = π
α
2π
wt
Vaäy khi doøng lieân tuïc, caùc
SCR cuøng catod (hay anod) thay phieân
nhau daãn doøng ñieän taûi, goùc daãn –
tröôøng hôïp toång quaùt – cuûa 1 SCR laø
2π/n ,vôùi n laø soá SCR noái chung catod
(hay anod). Vôùi sô ñoà chænh löu 2
uT1
Hình III.4.4: Daïng doøng, aùp ra khi doøng taûi lieân tuïc
xung, n = 2 vaø goùc daãn cuûa SCR cuõng laø beà roäng xung doøng taûi laø 2π /m, ( m laø soá xung).
Keát quaû laø khi doøng lieân tuïc, daïng aùp ra
khoâng phuï thuoäc taûi, coù trò trung bình :
uo
io
1
wt
2π
Uo =
α +π u⋅dwt
∫
∫
α
π
1
π
π
Uo =
α +π U 2 sinwt⋅dwt = Udo ⋅cosα
u
α
<III.4.5>
γ = π
α = φ
vôùi Udo laø aùp ra chænh löu diode:
2 2
in
Udo =
U
π
Trò trung bình doøng taûi tính theo <III.4.4>, baèng
u
Uo
Io =
.
R
Hình III.4.5: aùp doøng BBÑ vaø nguoàn khi α = φ
Khi L baèng voâ cuøng, doøng taûi trôû neân phaúng,
khoâng coøn nhaáp nhoâ. Ñaây laø tröôøng hôïp hay ñöôïc söû duïng ñeå ñôn giaûn baøi toaùn trong khaûo saùt lyù
thuyeát caùc tröôøng hôïp phöùc taïp hay khi thieát keá. Ta goïi ñieàu kieän naøy laø giaû thuyeát doøng taûi lieân
tuïc, phaúng.
Ñieàu kieän ñeå doøng lieân tuïc (hay cheá ñoä bieân lieân tuïc) cuûa sô ñoà caàu moät pha taûi RL:
Nhö ñaõ khaûo saùt, ôû goùc dieàu khieån pha α ñuû lôùn, doøng taûi giaùn ñoaïn. Khi giaûm α, beà roäng
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 19 of 55
xung doøng ngoû ra taêng daàn cho ñeán khi vöøa baèng π. Ñaây chính laø cheá ñoä bieân lieân tuïc, neáu tieáp
tuïc giaûm α, doøng taûi trôû neân lieân tuïc. Ñeå tìm ñieàu kieän cheá ñoä bieân lieân tuïc, coù theå giaûi phöông
trình <III.3.4*> ñeå tìm ñieàu kieän cho beà roäng xung doøng baèng π :
−(ωt−α )
U 2
Z
⎡
⎣
⎤
⎦
ω⋅τ
Theá wt = α +π vaøo <III.3.3> ta coù io =
sin(ωt−φ) − sin(α −φ)⋅e
= 0 .
⎢
⎥
Vôùi nhaän xeùt khi doøng taûi giaùn ñoaïn, daïng doøng qua SCR vaø doøng qua nguoàn trong hai
tröôøng hôïp chænh löu vaø ñieàu khieån aùp xoay chieàu laø nhö nhau, cheá ñoä bieân lieân tuïc cuûa chænh löu
moät pha cuõng laø tröôøng hôïp goùc kích giôùi haïn cuûa BBÑ aùp xoay chieàu (hình III.4.5), vaäy doøng
ñieän taûi seõ baét ñaàu lieân tuïc khi goùc α < φ (φ laø goùc taûi RL).
Thaät vaäy, khi theá α = φ vaø wt = α +π vaøo <III.3.4>, ta coù ñaúng thöùc.
- Trò trung bình aùp ngoû ra seõ giaûm ñi khi taûi thay ñoåi töø R thaønh RL.
GHI NHÔÙ
- Khi doøng taûi lieân tuïc (α ≤ φ), goùc daãn γ = π vaø trò trung bình aùp ngoû ra
tính theo coâng thöùc <III.4.5> khoâng phuï thuoäc taûi.
- ÖÙng duïng nguyeân lyù xeáp choàng, doøng trung bình qua maïch ñöôïc tính nhö
maïch ñieän moät chieàu vôùi nguoàn laø aùp trung bình UO .
Caùc sô ñoà chænh löu ñieàu khieån pha khaùc cuõng coù tính chaát töông töï.
2. Sô ñoà chænh löu SCR ba xung:
Sô ñoà chænh löu SCR ba xung (hình III.4.6) coøn coù teân thoâng thöôøng laø hình tia ba pha, coù
Ba xung aùp ôõ ngoû ra trong moät chu kyø löôùi.
α
2π/3
T1
T2
T3
A
B
C
A
B
C
v
o
2
u
wt
0
o
θ
2
N
0
0
0
2
2
Hình III.4.6.a: Sô ñoà hình tia 3 pha
Hình III.4.6.a thöôøng ñöôïc goïi laø sô ñoà
hình tia ba pha, bao goàm ba SCR noái chung
catod (hay noái chung anod).
A
B
C
Laáy pha A laøm goác, ñieän aùp caùc pha
ñöôïc ñònh nghóa nhö sau:
2
wt
0
uA = U 2 sinωt
uB = U 2 sin(ωt− 2π )
3
v
T1
uC = U 2 sin(ωt− 4π )
3
v
v
v
CA
T1 daãn
BA
CA
Hình III.4.6.b: Daïng doøng, aùp ra chænh löu 3 xung, taûi
thuaàn trôû.
Xung ñieàu khieån caùc SCR leäch 2π/3 , theo thöù töï xoay pha A, B, C :
T1 Æ T2 Æ T3 Æ T1 … ( hình III.4.6.b )
chuong 3 chinh luuA.doc
Page 20 of 55
Tải về để xem bản đầy đủ
55 trang
23400
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử công suất ứng dụng - Chương 3: Bộ biến đổi điều khiển pha", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dien_tu_cong_suat_ung_dung_chuong_3_bo_bien_doi_di.pdf
