Bcl Cau 3pha 3

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

V. BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 1.

Sơ đồ: -

id iT1 UT1

iT3 T1 UT3

iT5 T3

UT5

T5

L

R

UT4

T4 UT6

iT4

iT6

T6

UT2

E

T2

Ud

-

Nguồn xoay chiều 3 pha: u A = U m sin ωt 2π u B = U m sin(ωt − ) 3 2π u C = U m sin(ωt + ) 3 Linh kiện bán dẫn: 6 SCR công suất T1 ,T2 ,T3 , T4 ,T5 ,T6 Tải một chiều dạng tổng quát RLE

iT2

2.

Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1 , iT2 , iT3, iT4 , iT5 , iT6 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất uT1 , uT2 , uT3, uT4 , uT5 , uT6 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. - Điện áp dây nguồn: 5π π u AB = u A − u B = 3U m sin(ωt + ) u BA = u B − u A = 3U m sin(ωt − ) 6 6

u BC = u B − u C = 3U m sin(ωt − u CA

π

)

2 7π = u C − u A = 3U m sin(ωt − ) 6

u CB = u C − u B = 3U m sin(ωt + u AC = u A − u C = 3U m sin(ωt −

π

2

π

6

) )

4. Phân tích. - Giả thiết dòng qua tải liên tục, ta tách mạch cầu thành hai nhóm linh kiện Anode (T1,T3,T5) và Cathode (T2 ,T4 , T6). Điện áp phụ được đưa ra khảo sát là u dA và u dK . - Tại một thời điểm sẽ có hai SCR dẫn: một của nhóm Anode và một của nhóm Cathode. Trước hết ta chứng minh rằng hai nhóm linh kiện làm việc độc lập với nhau và mỗi nhóm làm việc như một mạch tia Xét mạch Anode: giả thiết T1 đóng, T3, T5 ngắt ta có phương trình trạng thái: ⎧uT 3 = u B − u A ; ⎧uT 5 = u C − u A ; ⎧uT 1 = 0; ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 3 = 0; ⎩iT 5 = 0; ⎩iT 1 = id ; u dA = u A BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 29

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

Xét mạch Cathode: giả thiết T2 đóng, T4, T6 ngắt ta có phương trình trạng thái: ⎧uT 6 = u B − u C ; ⎧uT 2 = 0; ⎧uT 4 = u A − u C ; ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 2 = id ; ⎩iT 4 = 0; ⎩iT 6 = 0; u dK = u C di u d = u dA − u dK ; u d = Rid + L d + E dt - Các hệ thức mô tả điện áp và dòng nhóm Anode hoàn toàn không phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các Thyritor nhóm Cathode và ngược lại. Do đó để khảo sát điện áp u dA ta chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng của các thyristor (T1,T3,T5), tương tự dể khảo sát điện áp u dK ta chỉ cần xét trạng thái kích đóng của các linh kiện (T2 ,T4 , T6). id iT1 UT1

iT3 T1 UT3

iT5 T3 UT5

T5

UdA

UA

UB

UC

Mạch tia Anode Xác định khoảng dẫn của các linh kiện. π ⎤ ⎡π ⎢ 6 + α ÷ 2 + α ⎥⎦ - SCR T1,T6 dẫn ⎣ ⎧uT 1 = 0 ⎧uT 3 = u B − u A ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = id ⎩iT 3 = 0

Mạch tia Cathode

a.

⎧uT 4 = u B − u A ⎨ ⎩iT 4 = 0

⎧uT 6 = 0 ⎨ ⎩iT 6 = id

⎧uT 5 = u C − u A ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u A

⎧uT 2 = u B − u C ⎨ ⎩iT 2 = 0

u dK = u B

u d = u dA − u dK = u A − u B = u AB = 3U m sin(ωt + 5π ⎤ ⎡π ⎢⎣ 2 + α ÷ 6 + α ⎥⎦ - SCR T1,T2 dẫn ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 1 = 0 ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎧uT 6 = u C − u B ⎧uT 4 = u C − u A ⎨ ⎨ ⎩iT 6 = 0 ⎩iT 4 = 0

6

)

⎧uT 5 = u C − u A ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u A

⎧uT 2 = 0 ⎨ ⎩iT 2 = id

u dK = u C

u d = u dA − u dK = u A − u C = u AC = 3U m sin(ωt −

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

π

π 6

)

Page 30

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

7π ⎡ 5π ⎤ ⎢ 6 + α ÷ 6 + α ⎥ - SCR T3,T2 dẫn ⎣ ⎦ ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 1 = u A − u B ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎧uT 4 = u C − u A ⎨ ⎩iT 4 = 0

⎧uT 6 = u C − u B ⎨ ⎩iT 6 = 0

⎧uT 5 = u C − u B ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u B

⎧uT 2 = 0 ⎨ ⎩iT 2 = id

u dK = u C

π 2

)

i1(A)

UT1(V)

iT1(A)

Ud(V)

Us(V)

u d = u dA − u dK = u B − u C = u BC = 3U m sin(ωt −

Hình 3.6 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện (α=450)

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 31

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

9π ⎡ 7π ⎤ ⎢ 6 + α ÷ 6 + α ⎥ - SCR T3,T4 dẫn ⎣ ⎦ ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 1 = u A − u B ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎧uT 4 = 0 ⎨ ⎩iT 4 = id

⎧uT 6 = u A − u B ⎨ ⎩iT 6 = 0

⎧uT 5 = u C − u B ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u B

⎧uT 2 = u A − u C ⎨ ⎩iT 2 = 0

u dK = u A

u d = u dA − u dK = u B − u A = u BA = 3U m sin(ωt −

11π ⎡ 9π ⎤ α + ÷ + α ⎥ - SCR T5,T4 dẫn ⎢⎣ 6 6 ⎦ ⎧uT 1 = u A − u C ⎧uT 3 = u B − u C ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎧uT 6 = u A − u B ⎧uT 4 = 0 ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = id ⎩iT 6 = 0

⎧uT 5 = 0 ⎨ ⎩iT 5 = id

u dA = u C

⎧uT 2 = u A − u C ⎨ ⎩iT 2 = 0

u dK = u A

u d = u dA − u dK = u C − u A = u CA = 3U m sin(ωt −

13π ⎤ ⎡11π ⎢⎣ 6 + α ÷ 6 + α ⎥⎦ - SCR T5,T6 dẫn ⎧uT 1 = u A − u C ⎧uT 3 = u B − u C ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎧uT 6 = 0 ⎧uT 4 = u B − u A ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = 0 ⎩iT 6 = id

5π ) 6

7π ) 6

⎧uT 5 = 0 ⎨ ⎩iT 5 = id

u dA = u C

⎧uT 2 = u B − u C ⎨ ⎩iT 2 = 0

u dK = u B

u d = u dA − u dK = u C − u B = u CB = 3U m sin(ωt +

π 2

)

5.

Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng sáu xung trong một chu kỳ áp nguồn, BCL được gọi là bộ chỉnh lưu sáu xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 6 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 6.50 = 300 Hz

Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). π

+α

1 2 Ud = 2π / 6 π ∫ 6

3U m sin(ωt +

+α

Khi 0 ≤ α ≤ π

−

3 6

π

π 6

)d (ωt ) =

U ≤ Ud ≤

3 6

π

3 3 3 6 U m cos α = U cos α

π

π

U

- Như vậy bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu và chuyển năng lượng về nguồn. Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I và IV Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 32

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

Id =

Ud − E R

Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U RWM = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. I I T 1 = ... = I T 6 = d 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : URRM ≥ Ku.U RWM và Id ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku = 2,5- 3,5 : Hệ số an toàn áp Ki ≥ 1 : hệ số an toàn về dòng Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. 2 I1 = I d 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U I λ= d = d d S 3UI 1

λ=

3 6UI d Ud Id = cos α = 0,955 cos α 3UI 2 3Uπ Id 3

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 33

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

VI . BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN 1. Sơ đồ iT1 UT1

iT3 T1 UT3

iT5 T3

UT5

T5

L

Ud R

UD4

D4 UD6

iD4

iD6

D6

UD2

Nguồn xoay chiều 3 pha: u A = U m sin ωt 2π u B = U m sin(ωt − ) 3 2π u C = U m sin(ωt + ) 3 - Linh kiện bán dẫn: 3 SCR công suất T1 ,T3 ,T5 và 3 Diode công suất T4,T6 ,T2 - Tải một chiều dạng tổng quát RLE -

id

E

D2

iD2

2.

Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện công suất iT1 , iD2 , iT3, iD4 , iT5 , iD6 - Điện áp trên linh kiện công suất uT1 , uD2 , uT3, uD4 , uT5 , uD6 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. - Điện áp dây nguồn: π 5π u AB = u A − u B = 3U m sin(ωt + ) u BA = u B − u A = 3U m sin(ωt − ) 6 6

u BC = u B − u C = 3U m sin(ωt − u CA

π

)

2 7π = u C − u A = 3U m sin(ωt − ) 6

u CB = u C − u B = 3U m sin(ωt + u AC = u A − u C = 3U m sin(ωt −

π

2

π

6

) )

4. Phân tích. - Khi thay nhóm linh kiện Anode (hoặc Cathode )trong bộ chỉnh lưu mạch cầu ba pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất ta được bộ chỉnh lưu mạch cầu ba pha điều khiển bán phần. - Việc phân tích BCL cầu 3 pha điều khiển bán phần hoàn toàn giống BCL cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn với việc phân thành hai nhóm Anode và Cathode. - Trong trường hợp này ta xem diode như Thyristor bình thường với góc điều khiển α = 0 . Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn Mạch có cấu trúc gồm 2 bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển và không điều khiển -

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 34

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

id iT1 UT1

iT3 T1 UT3

iT5 T3 UT5

T5

UdA

UA

UB

UC

Mạch tia Anode

Xác định khoảng dẫn của các linh kiện. π⎤ ⎡π ⎢ 6 + α ÷ 2 ⎥ - SCR T1,D6 dẫn ⎣ ⎦ ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 1 = 0 ⎨ ⎨ ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 1 = id ⎧u D 6 = 0 ⎧u D 4 = u B − u A ⎨ ⎨ ⎩i D 4 = 0 ⎩i D 6 = id

Mạch tia Cathode

a.

⎧uT 5 = u C − u A ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u A

⎧u D 2 = u B − u C ⎨ ⎩i D 2 = 0

u dK = u B

u d = u dA − u dK = u A − u B = u AB = 3U m sin(ωt +

⎤ ⎡ π 5π ⎢⎣ 2 ÷ 6 + α ⎥⎦ - SCR T1,D2 dẫn ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 1 = 0 ⎨ ⎨ ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 1 = id ⎧u D 4 = u C − u A ⎨ ⎩i D 4 = 0

⎧u D 6 = u C − u B ⎨ ⎩i D 6 = 0

⎧u D 4 = u C − u A ⎨ ⎩i D 4 = 0

⎧u D 6 = u C − u B ⎨ ⎩i D 6 = 0

)

u dA = u A

⎧u D 2 = 0 ⎨ ⎩i D 2 = id

u dK = u C

π 6

)

⎧uT 5 = u C − u B ⎨ ⎩iT 5 = 0

u dA = u B

⎧u D 2 = 0 ⎨ ⎩i D 2 = id

u dK = u C

u d = u dA − u dK = u B − u C = u BC = 3U m sin(ωt − BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

6

⎧uT 5 = u C − u A ⎨ ⎩iT 5 = 0

u d = u dA − u dK = u A − u C = u AC = 3U m sin(ωt −

7π ⎤ ⎡ 5π ⎢⎣ 6 + α ÷ 6 ⎥⎦ - SCR T3,D2 dẫn ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 1 = u A − u B ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = id

π

π 2

) Page 35

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

i1(A)

UT1(V)

iT1(A)

Ud(V)

Us(V)

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

Hình 3.7 Giản đồ áp chỉnh lưu, áp và dòng qua linh kiện ⎤ ⎡ 7π 9π ⎢⎣ 6 ÷ 6 + α ⎥⎦ - SCR T3,D4 dẫn u dA = u B ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 5 = u C − u B ⎧uT 1 = u A − u B ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩iT 5 = 0 u dK = u A ⎧u D 4 = 0 ⎧u D 6 = u A − u B ⎧u D 2 = u A − u C ⎨ ⎨ ⎨ ⎩i D 4 = id ⎩i D 6 = 0 ⎩i D 2 = 0 5π u d = u dA − u dK = u B − u A = u BA = 3U m sin(ωt − ) 6

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 36

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

11π ⎤ ⎡ 9π ⎢ 6 + α ÷ 6 ⎥⎦ - SCR T5,T4 dẫn ⎣ ⎧uT 3 = u B − u C ⎧uT 1 = u A − u C ⎨ ⎨ ⎩iT 1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎧u D 4 = 0 ⎨ ⎩i D 4 = id

⎧u D 6 = u A − u B ⎨ ⎩i D 6 = 0

⎧uT 5 = 0 ⎨ ⎩iT 5 = id

u dA = u C

⎧u D 2 = u A − u C ⎨ ⎩i D 2 = 0

u dK = u A

u d = u dA − u dK = u C − u A = u CA = 3U m sin(ωt −

⎤ ⎡11π 13π ⎢ 6 ÷ 6 + α ⎥ - SCR T5,D6 dẫn ⎣ ⎦ ⎧uT 3 = u B − u C ⎧uT 1 = u A − u C ⎨ ⎨ ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 1 = 0 ⎧u D 6 = 0 ⎧u D 4 = u B − u A ⎨ ⎨ ⎩i D 4 = 0 ⎩i D1 = id

7π ) 6

⎧uT 5 = 0 ⎨ ⎩iT 5 = id

u dA = u C

⎧u D 2 = u B − u C ⎨ ⎩i D 2 = 0

u dK = u B

u d = u dA − u dK = u C − u B = u CB = 3U m sin(ωt +

π 2

)

5.

Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu sáu xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 6 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 6.50 = 300 Hz

Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 3 6 UD = U (1 + cos α ) 2π 3 6 Khi 0 ≤ α ≤ π 0 ≤ U d ≤ U

π

- Như vậy bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Nó có thể làm việc ở góc phần tư I Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). Ud − E Id = R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U RWM = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. I I T 1 = ... = I T 6 = d 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : URRM ≥ Ku.U RWM và Id ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku = 2,5- 3,5 : Hệ số an toàn áp Ki ≥ 1 : hệ số an toàn về dòng Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 37

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

I1 = I d

2 3

Công suất tiêu thụ trên tải.

Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu.

λ= λ=

Pd U d I d = S 3UI 1

3 6UI d Ud Id = (1 + cos α ) = 0,478(1 + cos α ) 3UI 2 6Uπ Id 3

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 38