Bcl Tia 3pha 2

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

II . BỘ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 1.

Sơ đồ: -

id iD1 UD1

iD2 D1 UD2

iD3 D2 UD3

D3

R

L UA

UB

Ud

-

UC

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 diode công suất D1 ,D2 , D3 Tải một chiều dạng tổng quát RLE

E

 

2.

Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện diodes công suất iD1,iD2, iD3 - Điện áp trên linh kiện diodes công suất uD1 , uD2 , uD3 - 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. 4. Phân tích: Tại mỗi thời điểm chỉ có một linh kiện diode dẫn điện. a. Xác định khoảng đóng ngắt khoá diodes. - Để phân tích trình tự đóng ngắt các khoá diode ta dùng phép chứng minh phản chứng. Xét trong khoảng [π/6÷5π/6]: Giả sử D2 dẫn và D1, D3 ngắt ta có u D 2 = 0 ; u D1 < 0 ; u D 3 < 0 - Xét mạch điện uA, uD1, uD2, uB theo định luật Kirshop u D1 − u D 2 + u B − u A = 0 u D 2 = 0 ⇒ u D1 = u A − u B - Trên giản đồ trong khoảng [π/6÷5π/6] ta thấy u D1 = u A − u B > 0 tức là D1 dẫn trong khoảng này, điều này mâu thuẫn với giả thiết. Vậy D2 không thể dẫn trong khoảng này. Giả sử D3 dẫn và D1, D2 ngắt ta có u D 3 = 0 ; u D1 < 0 ; u D 2 < 0 - Xét mạch điện uA, uD1, uD3, uC theo định luật Kirshop u D1 − u D 3 + u C − u A = 0 u D 3 = 0 ⇒ u D1 = u A − u C

- Trên giản đồ trong khoảng [π/6÷5π/6] ta thấy u D1 = u A − u C > 0 tức là D1 dẫn trong khoảng này, điều này mâu thuẫn với giả thiết. Vậy D3 không thể dẫn trong khoảng này. - Như vậy trong khoảng [π/6÷5π/6] chỉ có D1 có thể dẫn : Giả sử D1 dẫn và D2, D3 ngắt ta có u D1 = 0 ; u D 2 < 0 ; u D 3 < 0 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 29

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

- Theo giản đồ ta thấy u D1 = 0 ⇒ u D 2 = u B − u A < 0 : phù hợp với giả thiết. - Theo giản đồ ta thấy u D1 = 0 ⇒ u D 3 = u C − u A < 0 : phù hợp với giả thiết D1

D2

D3

UA

UB

UC

UA

UB

UC

UA-UB

UA-UC

D1

D2

0

Hình 3.3 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện - Kết luận : Linh kiện Diode ở pha nào có điện áp tức thời lớn nhất sẽ dẫn. π 5π [ ÷ ] - Diode D1 dẫn 6 6 π 2π 5π 2π [ + ÷ + ] - Diode D2 dẫn 6 3 6 3 π 4π 5π 4π [ + ÷ + ] => Diode D3 dẫn 6 3 6 3 b. Phương trình trạng thái: - Khi D1 dẫn. ⎧u D1 = 0 ⎧u D 3 = u C − u A < 0 ⎧u D 2 = u B − u A < 0 ; ; ⎨ ⎨ ⎨ iD 3 = 0 iD 2 = 0 ⎩ ⎩i D1 = id ⎩ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

 

Page 30

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

u d = u A ; u d = Rid + L

d id dt

+E

- Khi D2 dẫn. ⎧u D1 = u A − u B ; ⎨ ⎩ i D1 = 0

⎧u D 3 = u C − u B ⎨ ⎩ iD3 = 0 di u d = u B ; u d = Rid + L d + E dt

⎧u D 2 = 0 ⎨ ⎩i D 2 = id

;

- Khi D3 dẫn. ⎧u D1 = u A − u C < 0 ⎨ i D1 = 0 ⎩

⎧u =u B −u C < 0 ; ⎨ D2 iD 2 = 0 ⎩

u d = u C ; u d = Rid + L

⎧u D 3 = 0 ⎨ ⎩i D 3 = id

; d id dt

+E

5.

Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150 Hz

Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 5π / 6 1 3 3 3 6 Ud0 = U m sin(ωt )d (ωt ) = Um = U ∫ 2π / 3 π / 6 2π 2π Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dònh điện tải). Ud − E Id = R Áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu. U rwm = 6U = 3U m Dòng trung bình qua diode. Id I D1 = 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. Id I1 = 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U .I 3 2 =0,676. λ= d = d d = S 3U .I 1 2π

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 31

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

III. BỘ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA ĐIỀU KHIỂN 1.

Sơ đồ :

-

id iT1 UT1

iT2 T1 UT2

iT3 T2 UT3

T3

R

L UA

UB

Ud

-

UC

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 ,T2 , T3 Tải một chiều dạng tổng quát RLE

E

 

2.

Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1,iT2, iT3 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất uT1 , uT2 , uT3 - 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. 4. Phân tích: - Góc điều khiển (α): là góc trễ so với góc mà nếu ở vị trí đó các diode sẽ dẫn, độ lớn của nó được tính từ thời điểm xuất hiện áp dương trên Thyristor đến khi xuất hiện xung kích ở cổng điều khiển. - Phạm vi góc điều khiển α là : 0 ≤ α ≤ π a. Phương trình trạng thái. 5π π Thyristor T1 dẫn [ + α ÷ +α] 6 6 ⎧uT 1 = 0 ⎧uT 3 = u C − u A < 0 ⎧uT 2 = u B − u A < 0 ; ; ⎨ ⎨ ⎨ iT 2 = 0 iT 3 = 0 ⎩ ⎩iT 1 = id ⎩

u d = u A ; u d = Rid + L 5π 9π +α ÷ +α] 6 6 = u A − uB < 0 ⎧uT 2 = 0 ; ⎨ iT 1 = 0 ⎩iT 2 = id

d id dt

+E

Thyristor T2 dẫn [ ⎧uT 1 ⎨ ⎩

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

;

⎧uT 3 = u C − u A < 0 ⎨ iT 3 = 0 ⎩

Page 32

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

u d = u B ; u d = Rid + L 9π 13π +α ÷ 6 6 = u A − uC < 0 ; iT 1 = 0

Thyristor T3 dẫn [

dt

+E

+α]

⎧uT 2 =u B −u C < 0 ; ⎨ iT 2 = 0 ⎩ di u d = u C ; u d = Rid + L d + E dt

⎧uT 3 = 0 ⎨ ⎩iT 3 = id

UT1(V)

iT1(A)

id(A)

Ud(V)

Us(V)

⎧uT 1 ⎨ ⎩

d id

Hình 3.4 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

 

Page 33

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

Hệ quả: Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150 Hz 5.

Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). α + 5π / 6 3 6 3 3 1 Ud = U m sin(ωt )d (ωt ) = U m cos α = U cos α = U d 0 cos α ∫ 2π 2π 2π / 3 α +π / 6 3 6 3 6 U ≤ Ud ≤ U 2π 2π - Như vậy bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển 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). Ud − E Id = R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U rwm = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. Id IT = 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : Uđm ≥ Ku.U RWM và Iđm ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku: Hệ số an toàn áp. (Ku = 2,5- 3,5) Ki: hệ số an toàn về dòng (Ki ≥ 1) Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. Id I1 = 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U .I 3 2 λ= d = d d = cos α S 3U .I 1 2π

Khi 0 ≤ α ≤ π

=> -

Đặc tuyến điều khiển. Trị trung bình điện áp chỉnh lưu U dα =

3 6 U cos α không phụ 2π

thuộc vào tham số tải khi dòng tải liên tục.

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 34

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

1

0.5

0

-0.5

-1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

6. Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. - Khi α thay đổi Ud α có thể âm nhưng Id > 0. Công suất trung bình : P = Ud.Id - Nếu Ud > 0 => P > 0 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu, công suất chuyển từ phía xoay chiều về phía một chiều - Nếu Ud < 0 => P < 0 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu công suất chuyển từ 1 chiều sang xoay chiều. Chế độ chỉnh lưu xảy ra khi: Ud * E > 0 Chế độ nghịch lưu xảy ra khi Ud * E < 0 7. Góc an toàn. Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chịu tác dụng của áp nghịch để khôi phục khả năng khoá của nó một cách an toàn ( γ ) γ = ω .tq Trong đó tq thời gian ngắt an toàn - Khi α tăng thời gian để khôi phục khả năng khoá sẽ giảm - Nếu α tăng đến một giá trị đủ lớn để SCR không còn đủ thời gian khôi phục khả năng khoá của mình SCR đóng không theo ý muốn, dòng điện tăng lớn ,hỏng thiết bị , cần được ngắt bởi thiết bị bảo vệ

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 35

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

1.

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

IV. BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE DO

Sơ đồ

-

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 thyistor công suất T1 ,T2 , T3, Diode Do - Tải một chiều dạng tổng quát RLE

2.

Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1,iT2, iT3 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất và diode uT1 , uT2 , uT3, uD0 - 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. 4. Phân tích. a. b.

-

Khi α ≤

6

Tương tự tia ba pha điều khiển.

5π 6 6 Diode D0 dẫn trong khoảng điện áp chỉnh lưu mang giá trị âm. Thyristor T1 dẫn [α ÷ π ] Khi

π

π

<α <

⎧uT 1 = 0 ⎧uT 2 = u B − u A < 0 ⎧uT 3 = u C − u A < 0 ⎧u Do = −u d < 0 ; ⎨ ;⎨ ; ⎨ ⎨ iT 3 = 0 iT 2 = 0 ⎩ ⎩iT 1 = id ⎩ ⎩ i Do = 0 di u d = u A ; u d = Rid + L d + E dt Diode Do dẫn [π ÷ π + α ] ⎧u Do = u d = 0 ⎧uT 1 = u A < 0 ⎧uT 2 = u B − u A < 0 ⎧uT 3 = u C − u A < 0 ; ⎨ ;⎨ ;⎨ ⎨ iT 3 = 0 iT 2 = 0 ⎩ iT 1 = 0 ⎩ ⎩ i Do = id ⎩ di u d = 0 ; u d = Rid + L d + E dt

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 36

TS. LÊ MINHPHƯƠNG D0

T1

UA

D0

T2

D0

D0

T1

D0

T2

D0

UC

UB

UB

UA

T3

UC

iT1(A)

id(A)

Ud(V)

Us(V)

T3

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

UA

UT1(V)

UA-UB

UA-UC

Hình 3.6 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện

 

10π ⎤ ⎡ 5π Thyristor T2 dẫn ⎢ +α ÷ 6 ⎥⎦ ⎣6 ⎧uT 1 = u A − u B < 0 ⎧uT 2 = 0 ⎧uT 3 = u C − u A < 0 ⎧u Do = −u d < 0 ;⎨ ;⎨ ;⎨ ⎨ iT 3 = 0 iT 1 = 0 ⎩ ⎩iT 2 = id ⎩ ⎩ i Do = 0 di u d = u B ; u d = Rid + L d + E dt ⎡ 10π 9π ⎤ Diode Do dẫn ⎢ ÷ +α⎥ 6 ⎣ 6 ⎦ ⎧u Do = u d = 0 ⎧uT 1 = u A − u B < 0 ⎧uT 2 = u B < 0 ⎧uT 3 = u C − u B < 0 ; ⎨ ;⎨ ;⎨ ⎨ iT 3 = 0 iT 1 = 0 ⎩ ⎩ iT 2 = 0 ⎩ i Do = id ⎩ u d = 0 ; u d = Rid + L

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

did +E dt

Page 37

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

14π ⎤ ⎡ 9π Thyristor T3 dẫn ⎢ +α ÷ 6 ⎥⎦ ⎣6 ⎧uT 1 = u A − u C < 0 ⎧uT 2 =u B −u C < 0 ; ⎨ ⎨ iT 1 = 0 iT 2 = 0 ⎩ ⎩

⎧u = 0 ⎧u Do = −u d < 0 ; ⎨ T3 ;⎨ ⎩iT 3 = id ⎩ i Do = 0 di u d = u C ; u d = Rid + L d + E dt

⎡ 14π 13π ⎤ Diode Do dẫn ⎢ ÷ +α⎥ 6 ⎣ 6 ⎦ ⎧u Do = u d = 0 ⎧uT 1 = u A − u C < 0 ⎧uT 2 = u B − u C < 0 ⎧uT 3 = u C < 0 ; ⎨ ;⎨ ;⎨ ⎨ iT 1 = 0 iT 2 = 0 ⎩ ⎩ ⎩ i Do = id ⎩ iT 3 = 0 di u d = 0 ; u d = Rid + L d + E dt Hệ quả: Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150 Hz

5.

Trong đó: p - số xung chỉnh lưu. a. Khi α ≤

6

: Tương tự tia ba pha điều khiển.

5π 6 6 Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). π 3 3 π 3 π Ud = U m sin(ωt )d (ωt ) = U m (1 + cos(α + )) = U m (1 − sin(α − )) ∫ 2π π 2π 6 2π 3

b. Khi

π

π

<α ≤

α+

6

3 6 U 2π - Như vậy bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển với diode D0 chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Nó có thể làm việc ở hai 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. 5π −α IT = 6 Id 2π Dòng trung bình qua diode D0 0 ≤ Ud ≤

I T = I d − 3I T =

3α − 2π

π

2I d

- Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : Uđm ≥ Ku.U RWM và Iđm ≥ Ki ID1 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 38

TS. LÊ MINHPHƯƠNG

[CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIER]

Ku: Hệ số an toàn áp. (Ku = 2,5- 3,5) Ki: hệ số an toàn về dòng (Ki ≥ 1) Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. 5π −α π 1 6 I1 = Id . d ( t ) ω Id = π 2π ∫α + 6 2π Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. 3 2 2 π π (1 + cos(α + ) U (1 + cos(α + ) I d P U .I 6 6 = 2π λ = d = d d = 2π 3U .I 1 S 5π 5π −α −α 6 6 3U . Id 2π 2π Đặc tuyến điều khiển. Trị trung bình điện áp chỉnh lưu, không phụ thuộc vào tham số tải khi dòng tải liên tục. 6. Tác dụng của diode Do: - Giảm trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu - Tăng hệ số công suất nguồn: α tăng I1 Giảm => U1I1 giảm => P1 giảm => λ tăng - Không cho phép chế độ nghịch lưu. U - Khảo sát đặc tuyến dα U do Trong đó:

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT

Page 39