Giáo trình Điện tử công suất 1 (Phần 2)

129 trang phuongnguyen 6930

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử công suất 1 (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dien_tu_cong_suat_1_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 (Phần 2)

Ñieän töõ coâng suaát 1 CHÖÔNG BA BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP XOAY CHIEÀU Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc söû duïng ñeå thay ñoåi trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp ngoõ ra. Noù ñöôïc maéc vaøo nguoàn xoay chieàu daïng sin vôùi taàn soá vaø trò hieäu duïng khoâng ñoåi vaø taïo ôû ngoõ ra ñieän aùp xoay chieàu coù cuøng taàn soá nhöng trò hieäu duïng ñieàu khieån ñöôïc. Do ñoù, boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu coù tính naêng gioáng nhö maùy bieán aùp ñieàu khieån voâ caáp. Ñieän aùp ñaùp öùng ôû ngoõ ra thay ñoåi nhanh vaø lieân tuïc. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu khieån coâng suaát tieâu thuï cuûa caùc taûi nhö loø nöôùng ñieän trôû, beáp ñieän, ñieàu khieån chieáu saùng cho saân khaáu, quaûng caùo, ñieàu khieån vaän toác ñoäng cô khoâng ñoàng boä coâng suaát vöøa vaø nhoû (maùy quaït gioù, maùy bôm, maùy xay), ñieàu khieån ñoäng cô vaïn naêng (duïng cuï ñieän caàm tay, maùy troän, maùy saáy). Boä bieán ñoåi xoay chieàu coøn ñöôïc duøng trong caùc heä thoáng buø nhuyeãn coâng suaát phaûn khaùng. 3.1 - BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP XOAY CHIEÀU MOÄT PHA Tröôøng hôïp taûi thuaàn trôû : (hình H3.1). Maïch goàm nguoàn ñieän aùp xoay chieàu moät pha daïng sin u = U m .sin ωt maéc noái tieáp vôùi taûi R thoâng qua coâng taéc xoay chieàu baùn daãn. Coâng taéc xoay chieàu goàm hai thyristor maéc ñoái song V1 vaø V2 vaø trong tröôøng hôïp coâng suaát nhoû coù theå thay theá chuùng baèng moät triac. Phaân tích maïch (xem hình H3.2) Trong khoaûng goùc (0,α), doøng qua taûi bò ngaét, ta coù: it = 0 , ut= 0 Treân thyristor V1 xuaát hieän ñieän aùp khoùa vì: uV1 = u – ut= u > 0 Taïi thôøi ñieåm öùng vôùi goùc X = α, xung kích IG1 ñöa vaøo coång ñieàu khieån cuûa V1 trong ñieàu kieän coù aùp khoùa laøm V1 ñoùng. Doøng ñieän kheùp kín qua maïch (u,V1 , R)- traïng thaùi V1. Caùc phöông trình moâ taû traïng thaùi V1 trong thôøi gian V1 daãn ( α ≤ X < π ) uV1 = 0 =- uV2 iV1 = it; iV2 = 0 ut= - uV1 + u = u = Um sinX 3-1
Ñieän töõ coâng suaát 1 ut= R.it Taïi X = π, doøng qua V1 trieät tieâu. Luùc ño,ù doøng ñieän taûi baèng khoâng vaø ta coù traïng thaùi 0. Caùc phöông trình moâ taû traïng thaùi 0: it= iV1 = iV2 = 0 uV1 = u - R.it= u uV2 = -u Ñieän aùp ñaët leân V2 trong khoaûng thôøi gian öùng vôùi X > π coù giaù trò döông - ñieän aùp khoùa, neân vieäc kích vaøo coång ñieàu khieån cuûa V2 trong khoaûng (π + α < X < 2π ) seõ laøm V2 ñoùng. Caùc phöông trình moâ taû traïng thaùi V2: uV2 = 0; iV2 = -it uV1 = - uV2 = 0; iV1 = 0 ut= u = Um.sinX < 0 u it= < 0 R Taïi vò trí X = 2π, doøng qua V2 trieät tieâu neân V2 bò ngaét. Maïch trôû veà traïng thaùi 0. Caùc heä quaû: Trò hieäu duïng cuûa aùp taûi : 1 2 π ⎛ 1 2 ⎞ 2 Ut = ⎜ ut .dx ⎟ ⎝ 2 π ∫ ⎠ (3.1) 1 ⎡1 ⎛ sin 2α ⎞⎤ 2 Ut = U.⎢ ⎜π − α + ⎟⎥ ⎣π ⎝ 2 ⎠⎦ 1 ⎛ α sin 2α ⎞ 2 Ut = U.⎜1 − + ⎟ ⎝ π 2 π ⎠ Khi goùc ñieàu khieån α thay ñoåi trong phaïm vi ( 0, π), ñieän aùp taûi coù trò hieäu duïng bieán thieân trong khoaûng ( 0, U). Ñoà thò bieåu dieãn trò hieäu duïng Uttheo goùc ñieàu khieån α ñöôïc veõ treân hình H3.3 Trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi: U I = t (3.2) t R Heä soá coâng suaát: 1 2 P U / R U ⎛ α sin 2α ⎞ 2 PF = = t = t = ⎜1 − + ⎟ (3.3) S U.It U ⎝ π 2 π ⎠ Doøng ñieän trung bình qua SCR: π 1 U U I = m .sin x.dx = m (1 + cos α) (3.4) VAV 2π ∫ R 2πR α Trò hieäu duïng doøng ñieän qua SCR. Deã daøng suy ra raèng: It IVRMS = (3.5) 2 * Tröôøng hôïp taûi L: Ta phaân bieät hai tröôøng hôïp goùc ñieàu khieån α: 3-2
Ñieän töõ coâng suaát 1 π a/- Goùc ñieàu khieån α > ( hình 3.4) 2 Traïng thaùi 0 : Trong khoaûng tröôùc vò trí goùc kích α doøng taûi bò giaùn ñoaïn. Caùc phöông trình vaø heä thöùc moâ taû traïng thaùi khoâng coù doøng ñieän: it =0 di t ut = L. = 0 dt iV1 = iV2 =0 uV1 = - u2 = u > 0 Traïng thaùi V1 (α < X < 2π - α): Taïi vò trí X = α, V1 ñöôïc kích trong luùc coù taùc duïng cuûa ñieän aùp khoùa neân ñoùng. Doøng ñieän daãn kheùp kín qua maïch (u, V1, L). Traïng thaùi maïch ñieän ñöôïc bieåu dieãn bôûi heä thöùc vaø phöông trình sau: uV1 = 0 i V1 =it ut = u = Um.sinX di t ut = L dt Töø ñieàu kieän ban ñaàu it(α) = 0 vaø giaûi phöông trình doøng ñieän ta thu ñöôïc nghieäm: U i ()X = m .(cos α − cos X ) (3.6) t ωL Doøng ñieän coù ñoä lôùn taêng töø 0 ñeán cöïc ñaïi roài giaûm veà 0 taïi vò trí X = 2π - α. Do iV1 = it neân taïi vò trí vöøa neâu treân, doøng qua V1 cuõng bò ngaét. Traïng thaùi 0- khoaûng (2π - α < X < π + α): Sau khi doøng qua V1 bò ngaét, maïch trôû laïi traïng thaùi khoâng daãn ñieän, caùc phöông trình moâ taû maïch ñieän: it = 0; ut =0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u < 0 Traïng thaùi V2 - khoaûng (π + α < X < 3π - α): Taïi vò trí X= α + π, xung kích ñöa vaøo V2 trong luùc V2 chòu taùc duïng ñieän aùp khoùa neân V2 ñoùng. Doøng ñieän kheùp kín qua maïch (u, V2, L). Caùc phöông trình vaø heä thöùc moâ taû traïng thaùi V2: uV2 =0; iV2 = - it di t ut = u; ut = L dt Giaûi phöông trình doøng ñieän vaø ñeå yù raèng it ( π+α) = 0, ta ñöôïc nghieäm doøng ñieän taûi: U i ()X = m [cos()α + π − cos X ] (3.7) t ωL Doøng qua taûi vaø qua V2 coù ñoä lôùn taêng töø 0 ñeán cöïc ñaïi roài giaûm veà 0 . Taïi ñaây, V2 bò ngaét. Maïch trôû veà traïng thaùi 0 π Heä quaû: Ñoái vôùi taûi L vaø goùc ñieàu khieån < α < π , ta coù: 2 3-3
Ñieän töõ coâng suaát 1 1/- Doøng qua taûi bò giaùn ñoaïn. 2/- Trò hieäu duïng ñieän aùp treân taûi coù theå daãn giaûi töø hình H3.4 1 1 2 π−α ⎡1 2 ⎤ 2 ⎛ α sin 2α ⎞ 2 Ut = ⎢ ()U m sin X dx⎥ = U m ⎜1 − + ⎟ (3.8) ⎣π ∫α ⎦ ⎝ π 2π ⎠ 3/- Trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi: 1 1 2 π−α ⎛1 2 ⎞ 2 U ⎡ ⎛ α ⎞ 2 3 ⎤ 2 It = ⎜ i t .dx ⎟ = ⎢2⎜1 − ⎟.()1 + 2 cos α + sin 2α⎥ (3.9) ⎝ π ∫α ⎠ ωL ⎣ ⎝ π ⎠ π ⎦ Trong öùng duïng vôùi taûi L, thaønh phaàn haøi cô baûn doøng ñieän coù yù nghóa quan troïng: U 2 1 I ( α) = m ( 2 − α + .sin 2α) (3.10) L(1)m ω.L π π Maïch hoïat ñoäng nhö moät taûi L ñieàu chænh vôùi caûm khaùng laø haøm phuï thuoäc goùc kích: V ω.L X (α) = m = (3.11) L I (α) 2 1 L(1)m (2 − α + .sin2α) π π π b/- Goùc ñieàu khieån α ϕ - doøng ñieän taûi bò giaùn ñoaïn. chu kyø hoaït ñoäng ñöôïc chia laøm 4 khoaûng töông öùng 4 traïng thaùi sau: Traïng thaùi 0: maïch khoâng daãn ñieän vaø aùp khoùa taùc duïng leân V1 it = 0 ; ut = 0 3-4
Ñieän töõ coâng suaát 1 iV1 = 0 ; iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u > 0 Traïng thaùi V1 : V1 ñöôïc kích daãn dit ut = u ; ut = R.it + L dt iV1 = it ; uV1 = - uV2 = 0 Traïng thaùi 0 : maïch khoâng daãn ñieän vaø ñieän aùp khoùa taùc duïng leân V2 : it = 0 ; ut = 0 iV1 = 0 ; iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u ϕ α > 0 π ωL Doøng taûi giaùn ñoïan α > α > arctan 2 R α < ϕ ___ π ωL Doøng taûi lieân tuïc α < α < arctan 2 R 3-5
Ñieän töõ coâng suaát 1 3.2 - BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP XOAY CHIEÀU BA PHA Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu 3 pha daïng ñaày ñuû (xem hình H3.6) coù caáu taïo goàm ba coâng taéc baùn daãn ñaáu vaøo nguoàn xoay chieàu 3 pha, ñeå thöïc hieän cung caáp ñieän cho taûi 3 pha. Khi coâng suaát taûi nhoû, caùc caëp coâng taéc duøng thyristor coù theå ñöôïc thay theá baèng triac. Phaân tích hoaït ñoäng cuûa boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu 3 pha, ngay caû cho tröôøng hôïp taûi thuaàn trôû, raát phöùc taïp vì vieäc theo doõi quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän trong maïch raát khoù khaên. Daïng soùng ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi thay ñoåi khaùc nhau phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn goùc ñieàu khieån vaø caùc tham soá maïch taûi (ñoái vôùi taûi khoâng thuaààn trôû). Ngaøy nay, vieäc phaân tích ñöôïc thöïc hieän nhôø laäp trình moâ phoûng treân maùy tính. Daïng soùng ñieän aùp vaø doøng ñieän cho moät soá caáu hình boä bieán ñoåi xoay chieàu phuï thuoäc vaøo goùc ñieàu khieån vaø öùng vôùi caùc taûi R, RL ñöôïc veõ minh hoïa treân caùc hình H3.7 cho taûi R vaø H3.8 cho taûi RL noái tieáp. Ñaëc tính ñieàu khieån cuûa boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu 3 pha daïng ñaày ñuû ñöôïc veõ treân hình H3.10. Vôùi taûi R, phaïm vi ñieàu khieån goùc kích naèm trong khoaûng (0,5π 6 ); ñoái vôùi taûi L, phaïm vi ñieàu khieån cuûa goùc kích naèm trong giôùi haïn ( π 2 ,5π 6 ). Ñoái vôùi taûi RL, phaïm vi ñieàu khieån goùc kích laø (arctan ωL R , 5 π 6 ). Xung kích: ñeå ñaûm baûo quaù trình kích daãn thyristor, xung kích ñöôïc thöïc hieän döôùi daïng chuoãi xung baét ñaàu töø vò trí öùng vôùi goùc kích cho ñeàn khi vöôït khoûi nöûa chu kyø töông öùng moät goùc π 6 . 3-6
Ñieän töõ coâng suaát 1 3-7
Ñieän töõ coâng suaát 1 3.3 - COÂNG TAÉC XOAY CHIEÀU Coâng taéc xoay chieàu duøng ñeå ñoùng vaøo hoaëc ngaét nguoàn ñieän aùp xoay chieàu ra khoûi taûi xoay chieàu. So vôùi coâng taéc cô khí söû duïng tieáp ñieåm, coâng taéc baùn daãn hoaït ñoäng vôùi taàn soá cao, ñaùp öùng nhanh hôn, coâng suaát ñieàu khieån nhoû; hieän töôïng phoùng tia löûa ñieän khi ngaét doøng ñieän taûi khoâng xaûy ra. Tuy nhieân, do coâng taéc xoay chieàu coù caáu taïo goàm caùc linh kieän baùn daãn, ñoä suït aùp treân linh kieän toàn taïi khi coâng taéc ñoùng (khoaûng vaøi volt) taïo neân toån hao ñaùng keå khi doøng taûi lôùn. Do ñoù, coâng taéc baùn daãn caàn ñöôïc laøm maùt. ÔÛ cheá ñoä ngaét doøng ñieän, trôû khaùng luùc ngaét cuûa linh kieän toàn taïi vôùi giaù trò höõu haïn, vaãn coøn doøng ñieän roø ñi qua linh kieän baùn daãn. Caùc coâng taéc xoay chieàu baùn daãn ñöôïc söû duïng ñeå khôûi ñoäng cuõng nhö ñaûo chieàu ñoäng cô khoâng ñoàng boä; ñoùng ngaét tuï buø coâng suaát phaûn khaùng cho löôùi ñieän; ñoùng ngaét thay ñoåi möùc ñieän aùp xoay chieàu cung caáp cho taûi ; ñoùng ngaét chuyeån ñoåi heä thoáng nguoàn trong caùc heä thoáng nguoàn döï tröõ UPS. Caáu taïo coâng taéc xoay chieàu: Coâng taéc xoay chieàu toàn taïi ôû daïng moät pha, ba pha. Doøng qua moãi pha taûi ñöôïc ñoùng ngaét bôûi moät coâng taéc pha. Moãi coâng taéc pha goàm hai thyristor maéc ñoái song hoaëc moät triac. Phaân tích hoaït ñoäng cuûa maïch khi thöïc hieän ñoùng vaø ngaét coâng taéc baùn daãn coù theå giaûi thích minh hoïa qua coâng taéc moät pha vôùi taûi RL (hình H3.10). Sô ñoà maïch coâng suaát gioáng nhö maïch treân hình H3.1. Ñoùng coâng taéc : Taïi vò trí goùc X = α , ta thöïc hieän ñoùng coâng taéc baèng caùch ñöa xung kích lieân tuïc ( ví duï döôùi daïng chuoãi xung iG=1) vaøo coång ñieàu khieån cuûa taát caû caùc thyristor V1,V2. Moät trong hai thyristor maéc ñoái song ôû traïng thaùi khoùa taïi vò trí kích ñoùng seõ ñoùng, ví duï V1. 3-8
Ñieän töõ coâng suaát 1 Doøng ñieän qua V1 seõ coù ñoä lôùn thay ñoåi theo phöông trình doøng ñieän sau: di u = R.i + L. t = U sin X (3.13) t t dt m Ñieàu kieän ban ñaàu: it(α) =0 Phöông trình coù nghieäm: R U ⎡ − ()X −α ⎤ i = m ⎢sin()X − ϕ − sin(α − ϕ).e ωL ⎥ t Z ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Z = R 2 + ()ω.L 2 (3.14) Doøng ñieän qua taûi thay ñoåi lieân tuïc ñi ñi qua giaù trò 0. Do xung kích ñoùng ñöôïc ñöa ñeán caùc thyristor lieân tuïc neân coù theå xem coâng taéc xoay chieàu laø daïng ñaëc bieät cuûa boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu vôùi goùc kích baèng 0. Do ñoù, doøng ñieän qua taûi lieân tuïc. Caùc thyristor V1, V2 tuaàn töï thay nhau daãn ñieän. Sau moät thôøi gian ñuû lôùn, thaønh phaàn quaù ñoä cuûa doøng ñieän qua taûi trieät tieâu. Maïch ñaït traïng thaùi xaùc laäp. Doøng ñieän leäch pha so vôùi ñieän aùp moät goùc ϕ: ω.L ϕ = arctg (xem hình H3.10) R Ngaét coâng taéc: thöïc hieän baèng caùch ngaét ( khoùa ) ñoàng thôøi xung kích cuûa taát caû caùc thyristor V1 , V2. Taïi vò trí ngaét xung kích, neáu doøng taûi daãn qua thyristor, ví duï V1 coù ñoä lôùn khaùc khoâng, V1 seõ tieáp tuïc daãn ñieän ñeán khi doøng ñieän qua noù, ñoàng thôøi qua taûi trieät tieâu. Chæ 3-9
Ñieän töõ coâng suaát 1 khi ñoùù, doøng ñieän bò ngaét bôûi coâng taéc. Töø quaù trình phaân tích treân, ta thaáy vieäc ngaét doøng ñieän qua taûi baèng coâng taéc baùn daãn dieãn ra thuaän lôïi, khoâng coù quaù ñieän aùp xuaát hieän ngay caû tröôøng hôïp taûi mang tính caûm khaùng. Ñaùp öùng cuûa doøng ñieän sau khi thöïc hieän khoùa xung kích coù theå bò treã toái ña baèng nöûa chu kyø ñieän aùp nguoàn. Coâng taéc xoay chieàu ba pha coù caáu taïo maïch coâng suaát gioáng nhö boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu ba pha. Vieäc thöïc hieän ñoùng vaø ngaét coâng taéc daãn ñeán quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän treân töøng pha taûi ñöôïc veõ treân hình H3.11. Töø ñoù, ta thaáy doøng ñieän qua töøng pha laàn löôït trieät tieâu khi giaûm veà zero taïi caùc thôøi ñieåm khaùc nhau. Ñieän aùp xuaát hieän treân linh kieän bò taét taêng voït ñeán giaù trò cuûa ñieän aùp daây (xem hình H3.11b). Ñeå giaûm bôùt soá linh kieän baùn daãn, moät soá caáu hình coâng taéc tieát kieäm söû duïng diode thay cho thyristor ôû moät soá vò trí. Ñeå giaûm bôùt coâng suaát toån hao treân linh kieän baùn daãn khi coâng taéc ôû traïng thaùi ñoùng, ñoàng thôøi ñeå ngaét haún doøng ñieän khi coâng taéc ôû cheá ñoä ngaét, ngöôøi ta thöôøng söû duïng keát hôïp coâng taéc baùn daãn vôùi coâng taéc tieáp ñieåm. Trình töï ñoùng ngaét caùc coâng taéc cô khí K1,K2 vaø khoùa baùn daãn S ñöôïc veõ minh hoïa treân giaûn ñoà ñoùng ngaét treân hình H3.13. 3-10
Ñieän töû coâng suaát 1 3.4 - CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP XOAY CHIEÀU 3.4.1. ÑIEÀU KHIEÅN PHA (xem hình H3.2) Vôùi phöông phaùp ñieàu khieån pha thoâng thöôøng, xung kích ñoùng ñöôïc ñöa vaøo coång ñieàu khieån taïi vò trí treã ñi moät goùc α so vôùi vò trí xuaát hieän aùp khoùa treân linh kieän. Ñieän aùp nguoàn xoay chieàu ñoùng vai troø ñieän aùp chuyeån maïch, taùc duïng giaûm doøng ñieän qua linh kieän vaø ngaét noù. Ñieän aùp ngoõ ra chöùa thaønh phaàn haøi cô baûn coù taàn soá baèng taàn soá aùp nguoàn vaø caùc thaønh phaàn baäc cao khaùc. Ñoä lôùn cuûa caùc soùng haøi phuï thuoäc vaøo goùc ñieàu khieån vaø caáu hình maïch coâng suaát. Tröôøng hôïp ñieàu khieån pha vôùi quaù trình chuyeån maïch cöôõng böùc: ñieàu khieån vò trí kích ñoùng doøng ñieän vaø ñoàng thôøi ñieàu khieån caû vò trí ngaét doøng ñieän taûi. Caáu hình maïch phaûi chöùa boä chuyeån maïch hoaëc linh kieän töï chuyeån maïch. Vôùi phöông phaùp naøy, ñieän aùp ngoõ ra coù theå coù daïng ñoái xöùng. Neáu trong moãi nöûa chu kyø aùp nguoàn, ta thöïc hieän ñieàu roäng xung, heä soá bieán daïng vaø phoå caùc haøi baäc cao seõ ñöôïc haïn cheá raát nhieàu. 3.4.2. ÑIEÀU KHIEÅN TÆ LEÄ THÔØI GIAN (Time duty ratio Control; Cycle Control) Xem hình H3.14- thöïc hieän baèng caùch cho xung kích ñoùng caùc linh kieän lieân tuïc trong thôøi gian baèng soá nguyeân laàn chu kyø (m) ñieän aùp nguoàn vaø sau ñoù ngaét (khoaù) xung kích lieân tuïc trong moät soá nguyeân laàn chu kyø (n). Phöông phaùp naøy khoâng söû duïng khi taûi coù haèng soá thôøi gian ñaùp öùng töông ñöông vôùi chu kyø aùp nguoàn xoay chieàu, ví duï khoâng theå duøng ñeå ñieàu khieån ñoä saùng boùng ñeøn daây toùc, khoâng duøng ñeå ñieàu khieån vaän toác ñoäng cô coù moment quaùn tính nhoû. Phöông phaùp ñieàu khieån tæ leä thôøi gian vôùi thôøøi ñieåm kích ñoùng taïi ñieåm 0 cuûa aùp nguoàn (zero voltage switching ) ñöôïc öùng duïng ñeå ñieàu khieån loø ñieän trôû, loø hoà quang ñieän, loø nöôùng gia ñình vì ít aûnh höôûng leân löôùi ñieän, ñoàng thôøi haïn cheá toån hao phaùt sinh do cheá ñoä ñoùng ngaét linh kieän taïo neân. Boä bieán ñoåi laøm vieäc nhö moät coâng taéc xoay chieàu ñoùng môû tuaàn hoaøn. Hình H3.14a veõ ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi khi ta aùp duïng phöông phaùp ñieàu khieån ôû treân vôùi taûi chæ chöùa t ñieän trôû R. Töø hình veõ H3.14a, ta suy ra trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp taûi laø: U = U. t . Treân t T hình H3.14b veõ quaù trình caùc ñaïi löôïng cho tröôøng hôïp taûi RL. Phöông phaùp ñieàu khieån neâu treân phuø hôïp cho caùc nguoàn cung caáp naêng löôïng cho caùc thieát bò tieâu thuï nhieät ñieän. Ta khoâng neân duøng chuùng laøm nguoàn naêng löôïng cho caùc ñeøn chieáu saùng cuõng nhö trong caùc ñoäng cô ñieän. 5-11
Ñieän töû coâng suaát 1 Ví duï 3.1: Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha caáp nguoàn cho taûi thuaàn trôû R=10Ω. π Nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu duïng baèng 220V, 50Hz. Goùc ñieàu khieån α = [ rad ] 2 a. Tính trò hieäu duïng aùp taûi b. Tính coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi c. Tính heä soá coâng suaát d. Ñeå ñaït ñöôïc coâng suaát taûi baèng 4 kW, tính ñoä lôùn goùc kích α e. Ñònh möùc linh kieän söû duïng Giaûi: a. Trò hieäu duïng cuûa aùp taûi 5-12
Ñieän töû coâng suaát 1 1 ⎛ α sin 2α ⎞ 2 Ut = ⎜1 − + ⎟ .U ⎝ π 2π ⎠ 1 ⎛ ⎛ π ⎞ ⎞ 2 ⎜ π sin⎜2. ⎟ ⎟ ⎜ ⎝ 2 ⎠ ⎟ = 1 − 2 + .220 = 155,56[V ] ⎜ π 2.π ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ b. Coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi 2 ππ2 2 1 1 ut 1 2 Pt = ∫∫ut .i t .dX = .dX = .Ut 2π 0 2π 0 R R 155,56 2 P = = 2420[W ] t 10 c. Heä soá coâng suaát nguoàn ( boû qua toån hao treân SCR ) P P P P λ = PF = t = t = t = t U S U.I U.It U. t R 2420 λ = = 0,707 155,56 220. 10 d. Khi Pt = 4 kW, ta coù: U t = Pt .R = 4000.10 = 200[V ] . Treân ñaëc tính Ut(α), Ta xaùc ñònh goùc α töông öùng vôùi Ut = 200V laø α = 0,99979[rad] hay α=57,280 e. AÙùp laøm vieäc lôùn nhaát cuûa SCR: U DWM = U RWM = 220. 2 = 311[V ] Choïn heä soá an toaøn aùp: Ku = 2,5 ta coù tham soá SCR caàn choïn thoûa maõn ñieàu kieän: UDRM = URRM > 2,5.311 = 778[V] Trò trung bình doøng qua SCR (α=0): 1 2 π 1 π 2 .U.sin X IVAV = ∫ it .dX = ∫ .dX 2π 0 2π 0 R 2U 2 .220 I = = = 9,9[ A] VAV π.R π.10 Tròï hieäu duïng doøng qua SCR 1 2 2 ⎛ 2π ⎛ ⎞ ⎞ ⎜ 1 ⎜ 2.U.sin X ⎟ ⎟ 2U 2.220 I RMS = ⎜ .dX ⎟ = = = 15,55[A] ⎜ 2π ∫0 ⎜ R ⎟ ⎟ 2R 2.10 ⎝ ⎝ ⎠ ⎠ Ví duï 3.2 Coâng taéc xoay chieàu ba pha daïng ñaày ñuû maéc vaøo taûi theo caáu hình sao. Coâng suaát taûi P= 20kW, heä soá coâng suaát 0,707. Ñònh möùc aùp vaø doøng cho linh kieän. AÙp nguoàn coù trò hieäu duïng aùp daây 440V Giaûi: Doøng ñieän qua moãii pha coù trò hieäu duïng 5-13
Ñieän töû coâng suaát 1 P 20000 I = = = 37,119[A] 3.U0.cosϕ 3.440.0,707 Doøng ñænh qua SCR Im = 2.I = 2.37,119 = 52,5[A] Doøng trung bình qua SCR I 52,5 I = m = = 16,71[A] AV π π Trò hieäu duïng doøng qua SCR I 52,5 I = m = = 26,25[A] RMS 2 2 Ñieän aùp ñænh ñaët leân SCR U DWM = U RWM = 2.U = 2.440 = 622,3[V ] Ví duï 3.3 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha maéc vaøo taûi L. Tính trò hieäu duïng aùp vaø 2π doøng taûi khi α = [rad]. Tính coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn. Cho bieát 3 L=0,01H, aùp nguoàn U = 220V, ω = 314 rad/s Giaûi: ⎛ 2π 2π ⎞ ⎜ sin 2. ⎟ ⎛ α sin 2α ⎞ ⎜ 3 3 ⎟ Ut = U. 2⎜1 − + ⎟ = 220. 2 1 − + = 137 ,566[V ] ⎝ π 2π ⎠ ⎜ π 2π ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ U ⎛ α ⎞ 2 3 It = 2⎜1 − ⎟()1 + 2 cos α + sin 2α ω.L ⎝ π ⎠ π ⎛ 2π ⎞ ⎜ ⎟ 220 ⎜ 3 ⎟⎛ 2 2π ⎞ 3 ⎛ 2π ⎞ It = . 2. 1 − ⎜1 + 2 cos ⎟ + .sin⎜2. ⎟ = 29,142 [ A] 314.0,01 ⎜ π ⎟⎝ 3 ⎠ π ⎝ 3 ⎠ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn: Q(1) = US.It(1) vôùi U π I = S .()2 π − 2α + sin 2α < α < π t(1) π.ω.L 2 220 ⎡ 2 π ⎛ 2π ⎞⎤ It(1) = .⎢2π − 2. + sin⎜2. ⎟⎥ π.314.0,01 ⎣ 3 ⎝ 3 ⎠⎦ It(1) = 27 ,395 [ A] Ta ñöôïc Q(1) = 220.27,397 = 6025,8 Var Ví duï 3.4 Maïch ñoäng löïc cuûa boä buø nhuyeãn moät pha goàm tuï buø C maéc song song vôùi cuoän khaùng L qua boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu (hình H3.15). Doøng buø ñöôïc ñieàu khieån 5-14
Ñieän töû coâng suaát 1 ⎛ π ⎞ baèng caùch thay ñoåi goùc kích α trong khoaûng ⎜ ,π ⎟ . AÙp nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu ⎝ 2 ⎠ duïng U = 220V, ω = 314 rad/s, coâng suaát buø cuûa tuï QC = 10 kVAr a/- Tính ñoä lôùn cuoän khaùng L ñeå coù theå buø coâng suaát vôùi ñoä lôùn thay ñoåi töø Qmin=0 ñeán Qmax = 10 kVAr. b/- Vôùi L tính ñöôïc, xaùc ñònh doøng buø toång ( haøi cô baûn) öùng vôùi caùc tröôøng π 2π 5π hôïp goùc ñieàu khieån α = ;α = ;α = ;α = π 1 2 2 3 3 6 4 Giaûi: a/- Coâng suaát buø cuûa tuï: 2 U 2 QC = = ω.C.U X C Coâng suaát buø cuûa cuoän khaùng: U 2 U 2 QL = = X L ω.L Ñeå buø ñeán cosϕ = 1, ta caàn coù QC = QL Töø ñoù: 1 L = ω 2 .C Q 10.000 C = C = = 657,99.10−6 [F] ω.U 2 314.2202 1 L = = 0,0154[H ] 314 2.()657,99.10 −6 b/- Doøng buø toång: U ibuø = i C + i t ()1 = j.C.ω.U + j.ω.L1 U US vôùi = IL()1 = []2 π − 2α + sin 2α ω.L1 π.ω.L Ta coù keát quaû: ⎛ π ⎞ Ibuø ⎜α = ⎟ = 45,477-25,655=19,821A ⎝ 2 ⎠ 5-15
Ñieän töû coâng suaát 1 ⎛ 2π ⎞ Ibuø ⎜α = ⎟ =45,477-20,246=25,230A ⎝ 3 ⎠ ⎛ 5π ⎞ Ibuø ⎜α = ⎟ = 45,477-13,802=31,674A ⎝ 6 ⎠ Ibuø (α = π )= 45,477-0=45,477A Quaù trình caùc ñaïi löôïng trong maïch buø nhuyeãn moät pha hình H3.15) ñöôïc veõ 2π 5π minh hoïa treân hình H3.16 cho hai tröôøng hôïp α = vaø α = . 3 6 Ví duï 3.5 Cho boä bieán ñoài ñieän aùp xoay chieàu moät pha, taûi RL taàn soá nguoàn ac f=50Hz. Xung kích ñöôïc ñöa vaøo maïch coång cuûa caùc SCR ôû daïng chuoãi xung, baét ñaàu töø vò trí goùc kích α ñeán cuoái nöûa chu kyø cuûa baùn kyø ñang xeùt. Keát luaän gì veà tính lieân tuïc cuûa doøng taûi trong caùc tröôøng hôïp sau: π a/- R = 10 Ω ; L = 0,01H ; α = 6 π b/- R = 1 Ω ; L = 0,01 H ; α = 6 5-16
Ñieän töû coâng suaát 1 Cho U = 220V ; ω = 314 rad/s Giaûi: a/- ω.L 314.0,01 ϕ = arctg = arctg = 0,3042[rad] R 10 π α = = 0,523[rad] > ϕ 6 ⇒ Doøng taûi giaùn ñoïan. Quaù trình caùc ñaïi löôïng aùp vaø doøng ñieän taûi ñöôïc veõ treân H3.17. b/- ω.L 314.0,01 ϕ = arctg = arctg = 1,262[rad] R 1 π α = = 0,523[rad] < ϕ 6 ⇒ Doøng taûi lieân tuïc . Ví duï 3.6 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha ñöôïc ñieàu khieån theo phöông phaùp tæ leä thôøi gian. Cho bieát aùp nguoàn xoay chieàu coù U = 220V, ω = 314 rad/s. Thôøi gian ñoùng 1s, thôøi gian ngaét 0,5s. Taûi thuaàn trôû R = 50Ω a/- Tính trò hieäu duïng ñieän aùp taûi vaø doøng taûi b/- Tính coâng suaát taûi c/- Tính heä soá coâng suaát nguoàn Giaûi: T 1 a/- trò hieäu duïng aùp taûi:U = U. 1 = 220. = 179,6[V ] t T 1,5 U 179,6 Do taûi R neân trò hieäu duïng doøng taûi I = t = = 3,592 [ A] t R 50 b/- Coâng suaát taûi R: U 2 179,6 2 P = t = = 645,333[W ] R R 50 c/- Heä soá coâng suaát nguoàn 5-17
Ñieän töû coâng suaát 1 P P 645,333 λ = R = R = = 0,8166 S U.It 220.3,592 Baøi taäp: 1. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 480V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=50 Ω . Goùc kích α = 800 . Haõy xaùc ñònh: - trò hieäu duïng aùp taûi; - coâng suaát taûi - heä soá coâng suaát - trò hieäu duïng vaø trò trung bình doøng qua SCR - heä soá meùo daïng doøng ñieän nguoàn. 2. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 240V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=45 Ω . Xaùc ñònh goùc kích ñeå coâng suaát taûi baèng 800W. 3. Moät taûi thuaàn trôû tieâu thuï coâng suaát 200W döôùi taùc duïng nguoàn ñieän 120V, 50Hz. Thieát keá maïch cung caáp coâng suaát 200W cho ñieän trôû treân khi söû duïng nguoàn löôùi laø 240V, 50Hz. Xaùc ñònh giaù trò ñieän aùp ñænh treân taûi. 4. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=32 Ω . Xaùc ñònh phaïm vi ñieàu chænh goùc kích ñeå coâng suaát taûi thay ñoåi trong khoaûng 200 ñeán 400W. Xaùc ñònh phaïm vi thay ñoåi heä soá coâng suaát töông öùng. 5. Thieát keá maïch cung caáp coâng suaát töø 750W ñeán 1500W cho ñieän trôû R=30 Ω . Cho bieát nguoàn löôùi ac coù trò hieäu duïng pha 240V, 50Hz. Xaùc ñònh trò trung bình vaø trò hieäu duïng cöïc ñaïi doøng ñieän ñi qua SCR vaø giaù trò ñieän aùp ñænh treân linh kieän. 6. Thieát keá maïch cung caáp coâng suaát khoâng ñoåi baèng 1000W cho moät taûi ñieän trôû coù ñoä lôùn R thay ñoåi trong phaïm vi töø 20 ñeán 40 Ω . Cho bieát nguoàn löôùi ac coù trò hieäu duïng pha 240V, 50Hz. Xaùc ñònh trò trung bình vaø trò hieäu duïng cöïc ñaïi doøng ñieän ñi qua SCR vaø giaù trò ñieän aùp ñænh treân linh kieän. 7. Thieát keá maïch ñieàu chænh chieáu saùng cho boùng ñeøn 120V,100W. Nguoàn ñieän löôùi ac 120V, 50Hz. Xaùc ñònh goùc kích cuûa triac ñeå coâng suaát ñeøn baèng a/-30W; b/-60W. Giaû thieát cho raèng ñeøn hoaït ñoäng nhö taûi thuaàn trôû khoâng ñoåi. 8. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha vôùi linh kieän S1 laø SCR vaø S2 laø diode. S1 ñieàu khieån vôùi goùc kích α . a. xaùc ñònh trò hieäu duïng aùp taûi theo haømα vaø bieân ñoä aùp nguoàn. b. Phaïm vi ñieàu khieån aùp treân taûi. 9. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha vôùi goùc kích khaùc nhau cho caùc SCR: α1 ñoái vôùi SCR1 vaø α2 ñoái vôùi SCR2. Xaùc ñònh trò hieäu duïng aùp taûi theo caùc tham soá Vm, α1 vaø α2 . 10. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R-L vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=18 Ω , L=30mH. Goùc kích α = 800 . Haõy xaùc ñònh: a. quaù trình doøng ñieän taûi b. trò hieäu duïng doøng ñieän taûi c. trò hieäu duïng doøng ñieän qua SCR 5-18
Ñieän töû coâng suaát 1 d. coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi 11. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R-L vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=22 Ω , L=18mH. Goùc kích α = 450 . Haõy xaùc ñònh: a. quaù trình doøng ñieän taûi b. trò hieäu duïng doøng ñieän taûi c. trò hieäu duïng doøng ñieän qua SCR d. coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi e. veõ daïng soùng ñieän aùp taûi vaø aùp treân SCR 12. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R-L vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=12 Ω , L=20mH. Goùc kích α = 1150 . Haõy xaùc ñònh trò hieäu duïng doøng ñieän taûi 13. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R-L vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=12 Ω , L=20mH. Goùc kích α = 600 . a. Haõy xaùc ñònh coâng suaát taûi tieâu thuï b. Söû û duïng Pspice ñeå xaùc ñònh coâng suaát taûi, chuù yù choïn RON=0,1 Ω trong moâ hình SCR. Xaùc ñònh ñoä meùo daïng doøng ñieän nguoàn töø keát quaû moâ phoûng. 14. Boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu moät pha taûi R-L vôùi thoâng soá : nguoàn ac coù trò hieäu duïng aùp pha 120V, f=50Hz, ñieän trôû taûi R=15 Ω , L=15mH. Söû duïng Pspice ñeå xaùc ñònh phaïm vi ñieàu chænh goùc kích α ñeå coù theå thay ñoåi coâng suaát taûi trong phaïm vi töø 400W ñeán 700W (coù theå söû duïng leänh thay ñoåi töøng böôùc tham soá ) 15. Thieát keá maïch ñeå cung caáp coâng suaát 250W cho taûi R-L noái tieáp vôùi R=24 Ω , L=35mH. Nguoàn ac 120V, 50Hz. Xaùc ñònh trò hieäu duïng vaø trò trung bình doøng qua SCR vaø giaù trò ñieän aùp lôùn nhaát treân SCR. 16. Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu 3 pha caáp ñieän cho taûi thuaàn trôû, ñaáu daïng sao. Cho bieát aùp daây 3 pha baèng 480V, f=50Hz. Taûi trôû R=35 Ω . Söû duïng Pspice ñeå xaùc ñònh coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi cho töøng tröôøng hôïp cuûa goùc kích nhö sau: α = 200;α = 800;α = 1150 17. Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu 3 pha caáp ñieän cho taûi R-L noái tieáp, ñaáu daïng sao. Cho bieát aùp daây 3 pha baèng 240V, f=50Hz. Taûi R=16 Ω , L=50mH. Goùc kích α = 900 . Söû duïng Pspice ñeå xaùc ñònh coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi cho töøng tröôøng vaø xaùc ñònh khoaûng daõn cuûa SCR treân ñoà thò. Phaân tích giaûi tích quaù trình doøng ñieän ôû xaùc laäp. 18. Vieát chöông trình moâ taû boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu 3 pha vôùi taûi ñaáu daïng tam giaùc. Xaùc ñònh trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi vaø doøng ñieän qua nguoàn. Cho bieát trò hieäu duïng aùp daây baèng 480V, ñieän trôû taûi R=25 Ω vaø goùc kích α = 450 . Xaùc ñònh ñoà thò doøng iab vaø ia. 5-19
Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG BOÁN BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP MOÄT CHIEÀU Boä bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu duøng ñeå ñieàu khieån trò trung bình ñieän aùp moät chieàu ôû ngoõ ra töø moät nguoàn ñieän aùp moät chieàu khoâng ñoåi. Ñieän aùp treân taûi coù daïng xung taïo thaønh töø quaù trình ñoùng ngaét lieân tuïc nguoàn ñieän aùp moät chieàu khoâng thay ñoåi vaøo taûi. Do ñoù, boä bieán ñoåi coøn ñöôïc goïi laø boä bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu daïng xung. 4.1 BOÄ GIAÛM AÙP * Sô ñoà caáu taïo vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng. Maïch boä giaûm aùp goàm nguoàn ñieän aùp moät chieàu khoâng ñoåi U maéc noái tieáp vôùi taûi qua coâng taéc S. Taûi moät chieàu toång quaùt goàm RL vaø söùc ñieän ñoäng E (ví duï ñoäng cô moät chieàu). Diode khoâng V0 maéc ñoái song vôùi taûi (hình H4.1a). Nguoàn moät chieàu coù theå laáy töø acquy, pin ñieän, hoaëc töø nguoàn aùp xoay chieàu qua boä chænh löu khoâng ñieàu khieån vaø maïch loïc. Coâng taéc S coù chöùc naêng ñieàu khieån ñoùng vaø ngaét ñöôïc doøng ñieän ñi qua noù. Do tính naêng treân neân coâng taéc S phaûi laø linh kieän töï chuyeån maïch, chaúng haïn transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoaëc ôû daïng keát hôïp goàm thyristor (SCR) vôùi boä chuyeån maïch. Taûi moät chieàu hay gaëp trong thöïc teá laø ñoäng cô moät chieàu. Phaân tích: ( hình H4.1b) Vieäc phaân tích thöïc hieän vôùi giaû thieát doøng ñieän qua taûi lieân tuïc. Do caáu taïo maïch chæ chöùa coâng taéc S vôùi hai traïng thaùi hoaït ñoäng laø ñoùng vaø ngaét doøng ñieän neân ta phaân tích maïch theo hai traïng thaùi cô baûn naøy. Traïng thaùi ñoùng S: thôøi gian ñoùng T1, doøng ñieän daãn töø nguoàn U kheùp kín qua maïch goàm (U,S,RLE). Phöông trình bieåu dieãn traïng thaùi hoaït ñoäng cuûa taûi: ut = U dit ut = R.it +L + E (4.1) dt Chon thôøi ñieåm ban ñaàu t0=0 vaø ta coù: it(t0) = it0=i0 Giaûi heä phöông trình vi phaân treân, ta coù nghieäm doøng ñieän ñi qua taûi döôùi daïng : 4-1
Ñieän töû coâng suaát 1 t t ⎛ − ⎞ − U − E ⎜ τ ⎟ τ it ()t = ⎜1 − e ⎟ + i0 .e (4.2) R ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ L vôùi τ = laø haèng soá thôøi gian maïch taûi. R Taïi cuoái khoaûng daãn T1 , ta coù: it1=it(T1)=i1 Quaù trình doøng ñieän taûi coù daïng taêng theo haøm muõ. Traïng thaùi ngaét S -khoaûng thôøi gian (T1 0, doøng ñieän taûi coù theå lieân tuïc hoaëc giaùn ñoaïn. Khoaûng thôøi gian doøng ñieän taûi giaùn ñoaïn phuï thuoäc vaøo caùc giaù trò cuûa tham soá ñieàu khieån (T1,T2) vaø tham soá taûi (RLE). ÔÛ cheá ñoä doøng giaùn ñoaïn (hình H4.2), khoaûng thôøi gian doøng giaùn ñoaïn (it=0) xuaát hieän trong thôøi gian ngaét coâng taéc S. Trong thôøi gian ñoùng S, doøng ñieän taûi lieân tuïc ñöôïc moâ taû bôûi phöông trình (4.1) vaø (4.2) baét ñaàu töø giaù trò it(0)=i0=0. Trong giai ñoïan ñaàu cuûa thôøi gian ngaét coâng taéc S (T1<t<t2): doøng ñieän taûi lieân tuïc giaûm vaø traïng thaùi maïch ñöôïc moâ taû bôûi phöông trình (4.3) vaø (4.4). Nghieäm doøng ñieän taûi theo heä thöùc (4.4) giaûm vaø ñaït giaù trò 0 taïi thôøi ñieåm t2 thoûa maõn ñieàu kieän: 4-2
Ñieän töû coâng suaát 1 t −T t −T ⎛ − 2 1 ⎞ − 2 1 − E ⎜ τ ⎟ τ it ()t2 = ⎜1 − e ⎟ + i1.e = 0 ; T1<t2<T (4.5) R ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Giaûi phöông trình (4.5), ta xaùc ñònh ñöôïc giaù trò t2: ⎡U ⎛ T1 ⎞ ⎤ t = τ.ln⎢ ⎜e τ −1⎟ +1⎥ (4.6) 2 E ⎜ ⎟ ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥ Giai ñoaïn doøng taûi giaùn ñoaïn (t2<t<T): ñieän aùp treân taûi baèng E. Trò trung bình ñieän aùp treân taûi: deã daøng daãn giaûi ñieän aùp trung bình treân taûi theo heä thöùc (4.7): T T − t t T U = U. 1 + E. 2 = U.γ + E.(1 − 2 ) ; γ = 1 (4.7) t T T T T Heä quaû: Vôùi cheá ñoä doøng ñieän qua taûi lieân tuïc, ta coù: - Ñieän aùp treân taûi coù daïng xung thay ñoåi giöõa hai giaù trò 0 vaø +U; T1 - Baèng caùch thay ñoåi tæ soá γ = giöõa T1: thôøi gian ñoùng S vaø T: chu kyø ñoùng T ngaét (T = T1 + T2), ta ñieàu khieån trò trung bình aùp taûi vaø doøng taûi theo caùc heä thöùc : T 1 U.T + 0.T T T U = . u .dt = 1 2 = U. 1 = U.γ ; γ = 1 (4.8) t T ∫ t T T T 0 T Do 0 ≤ γ = 1 ≤ 1 ⇒ 0 ≤ U ≤ U T t U − E I = t (4.9) t R ÔÛ cheá ñoä doøng taûi giaùn ñoaïn, caùc quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän ñöôïc moâ taû bôûi caùc heä thöùc vaø phöông trình (4.1),(4.2), (4.7) vaø (4.9) Boä giaûm aùp duøng laøm nguoàn ñieän aùp cho truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô moät chieàu, laøm boä phaän nguoàn cho boä bieán taàn aùp, boä bieán taàn doøng ñieän . 4.2 - BOÄ TAÊNG AÙP * Sô ñoà caáu taïo vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng. 4-3
Ñieän töû coâng suaát 1 Khi thöïc hieän haõm taùi sinh ñoäng cô moät chieàu, naêng löôïng töø nguoàn ñieän aùp thaáp (söùc ñieän ñoäng E) ñöôïc traû laïi nguoàn ñieän aùp lôùn hôn (nguoàn moät chieàu U), ñieàu naøy coù theå thöïc hieän nhôø hoaït ñoäng cuûa boä taêng aùp (hình H4.3). Ñieàu kieän ñeå maïch hoaït ñoäng laø E < U vaø nguoàn U coù khaû naêng tieáp nhaän naêng löôïng do taûi traû veà. Taûi moät chieàu phaûi chöùa nguoàn döï tröõ naêng löôïng (söùc ñieän ñoäng E) vaø caûm khaùng. Coâng taéc S thuoäc daïng töï chuyeån maïch ñöôïc nhö tröôøng hôïp boä giaûm aùp. Diode V0 cho pheùp doøng ñieän daãn theo chieàu töø taûi veà nguoàn vaø ngaên doøng ñieän ñi theo chieàu ngöôïc laïi. Phaân tích hoaït ñoäng maïch boä taêng aùp ôû cheá ñoä doøng ñieän taûi lieân tuïc vaø maïch ôû xaùc laäp (hình H4.4): Traïng thaùi ñoùng S- khoaûng thôøi gian (0<t<T1). Doøng ñieän kheùp kín qua maïch (RLE,S). Phöông trình moâ taû traïng thaùi S ñoùng : ut=0 dit ut = - R.it -L + E (4.10) dt it ()t0 = it (0) = i0 - vôùi giaû thieát thôøi ñieåm ñaàu chu kyø khaûo saùt t0=0. Doøng ñieän qua taûi it taêng theo haøm muõ. Heä thöùc bieåu dieãn doøng ñieän taûi coù daïng: ⎛ t ⎞ − ⎛ E ⎞ ⎜ τ ⎟ it ()t = ⎜ − i0 ⎟.⎜1 − e ⎟ + i0 (4.11) ⎝ R ⎠ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ L Taïi thôøi ñieåm cuoái khoaûng ñang xeùt, ta coù t=T1 vaø it(T1)=it ;τ = R Naêng löôïng do söùc ñieän ñoäng E phaùt ra moät phaàn tieâu hao treân ñieän trôû, phaàn coøn laïi döï tröõ trong cuoän khaùng L. Traïng thaùi V0 – khoaûng thôøi gian (T1<t<T): Coâng taéc S bò kích ngaét trong khoaûng thôøi gian T2. Doøng qua coâng taéc S trieät tieâu. Do tính lieân tuïc cuûa doøng qua taûi chöùa L neân doøng taûi tieáp tuïc daãn ñieän theo chieàu cuõ vaø kheùp kín qua diode V0 vaø nguoàn U. Phöông trình moâ taû traïng thaùi maïch (U,V0,RLE) ut=U dit ut = - R.it -L + E (4.12) dt Taïi thôøi ñieåm ñaàu khoaûng ñang xeùt, doøng ñieän taûi coù giaù trò it (T1 ) = i1 Nghieäm doøng ñieän taûi cuûa (4.9) giaûm theo haøm muõ, cho bôûi heä thöùc: t −T ⎛ − 1 ⎞ ⎛ E − U ⎞⎜ τ ⎟ it ()t = ⎜ − i0 ⎟⎜1 − e ⎟ + i1 (4.13) ⎝ R ⎠⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Cuoän khaùng giaûi phoùng moät phaàn naêng löôïng döï tröõ. Söùc ñieän ñoäng E ôû cheá ñoä phaùt naêng löôïng. Caû hai naêng löôïng naøy ñöôïc ñöa veà nguoàn U moät phaàn, phaàn coøn laïi tieâu hao treân ñieän trôû taûi. Heä quaû: - Ñieän aùp taûi thay ñoåi theo daïng xung giöõa hai giaù trò +U vaø 0. 4-4
Ñieän töû coâng suaát 1 - Baèng caùch thay ñoåi tæ soá γ giöõa T1 :thôøi gian ñoùng S vaø T=T1+T2 : chu kyø ñoùng ngaét S, ta ñieàu khieån coâng suaát phaùt töø nguoàn E cuõng nhö coâng suaát traû veà nguoàn U. Coù theå xaùc ñònh ñoä lôùn chuùng thoâng qua trò trung bình ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi. T 1 0.T + U.T T T U = . u .dt = 1 2 = U. 2 = U.(1 − γ) ; γ = 1 (4.14) t T ∫ t T T T 0 T Do 0 ≤ γ = 1 ≤ 1 ⇒ 0 ≤ U ≤ U T t −U + E I = t (4.15) t R Neáu thay ñoåi vai troø giöõa U vaø taûi: goïi taûi Ut laø nguoàn caáp naêng löôïng vaø U laø taûi nhaän naêng löôïng, ta coù: U U = t > U (4.16) 1 − γ t Ñieän aùp taûi lôùn hôn aùp nguoàn neân ta goïi ñaây laø boä taêng aùp. 4.3 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP MOÄT CHIEÀU 4.3.1 ÑIEÀU KHIEÅN VÔÙI TAÀN SOÁ ÑOÙNG NGAÉT KHOÂNG ÑOÅI Chu kyø ñoùng ngaét T = T1 + T2 khoâng thay ñoåi. Ñieän aùp trung bình cuûa taûi ñöôïc ñieàu khieån thoâng qua söï phaân boá khoaûng thôøi gian ñoùng T1 vaø ngaét coâng taéc T2 trong chu kyø T. Ñaïi löôïng ñaëc tröng khaû naêng phaân boá chính laø tæ soá γ = T1 / T Kyõ thuaät ñieàu khieån tæ soá γ coù theå thöïc hieän döïa vaøo hai tín hieäu cô baûn: soùng mang daïng raêng cöa up vaø soùng ñieàu khieån moät chieàu udk . Hai daïng soùng naøy ñöôïc ñöa vaøo boä so saùnh vaø tín hieäu ngoõ ra ñöôïc duøng ñeå kích ñoùng coâng taéc S. Soùng mang coù taàn soá khoâng ñoåi vaø baèng taàn soá ñoùng ngaét coâng taéc S. Taàn soá thaønh phaàn xoay chieàu haøi cô baûn cuûa ñieän aùp taûi baèng taàn soá coá ñònh naøy. Do ñoù, soùng ñieän aùp taïo thaønh deã loïc. Soùng ñieàu khieån moät chieàu coù ñoä lôùn tæ leä vôùi ñieän aùp trung bình treân taûi . Xeùt boä giaûm aùp (hình H4.1a,b) Goïi UpM laø bieân ñoä soùng mang daïng raêng cöa, udk laø ñoä lôùn soùng ñieàu khieån moät chieàu ; U laø ñieän aùp nguoàn moät chieàu khoâng ñoåi. Töø giaûn ñoà kích ñoùng S vaø caùc quaù trình ñieän aùp ôû cheá ñoä doøng lieân tuïc, ta deã daøng xaùc ñònh heä thöùc tính aùp taûi trung bình theo aùp ñieàu khieån: udk Ut = U. (4.17) UPM Phöông phaùp ñieàu khieån vôùi taàn soá soùng mang khoâng ñoåi thöôøng ñöôïc söû duïng trong thöïc tieãn . 4.3.2 ÑIEÀU KHIEÅN THEO DOØNG ÑIEÄN TAÛI YEÂU CAÀU Trong tröôøng hôïp taûi ñoäng cô moät chieàu, vieäc ñieàu khieån moment ñoäng cô thoâng qua ñieàu khieån doøng ñieän (tæ leä vôùi moment ). Ñeå hieäu chænh doøng ñieän trong phaïm vi cho pheùp, ta coù theå söû duïng phöông phaùp ñieàu khieån theo doøng ñieän. Theo ñoù, coâng taéc S seõ ñoùng ngaét sao cho doøng ñieän taûi ño ñöôïc vaø doøng ñieän yeâu caàu coù giaù trò baèng nhau. 4-5
Ñieän töû coâng suaát 1 Kyõ thuaät ñieàu khieån theo doøng ñieän ñöôïc giaûi quyeát nhö trong boä nghòch löu aùp (xem phaàn nghòch löu aùp - ñieàu khieån theo doøng ñieän ). Ví duï: xeùt boä giaûm aùp chöùa maïch ñieàu khieån vôùi taàn soá ñoùng ngaét khoâng ñoåi. Trong caáu truùc maïch ñieàu khieån doøng ñieän söû duïng khaâu hieäu chænh doøng ñieän RI, tín hieäu ñieän aùp ñieàu khieån töø ngoõ ra cuûa khaâu hieäu chænh doøng seõ ñöôïc so saùnh vôùi soùng mang daïng raêng cöa. Keát quaû so saùnh taïo thaønh xung kích ñoùng hoaëc ngaét coâng taéc S (H4.5). Trong caáu truùc maïch ñieàu khieån söû duïng phaàn töû phi tuyeán daïng maïch treã (hình H4.6), doøng ñieän taûi (iht) ñöôïc ñieàu khieån vôùi ñoä sai bieät ∆i so vôùi doøng ñieän ñaët (iyc). Ñoä lôùn ∆i thieát laäp töø ñaëc tính maïch treã. Khi ∆i ñuû nhoû, maïch ñieàu khieån taùc duïng leân boä bieán ñoåi laøm noù hoaït ñoäng nhö nguoàn doøng ñieän. Tính chaát naøy ñöôïc aùp duïng trong caùc heä thoáng chöùa khaâu hieäu chænh doøng ñieän. Tuy nhieân, maïch seõ khoâng ñieàu khieån ñöôïc khi ñoä sai bieät cho pheùp lôùn hôn giaù trò doøng ñieän yeâu caàu. Do ñoù, heä thoáng khoâng hoaït ñoäng ôû cheá ñoä doøng ñieän giaùn ñoaïn. 4.4 - BOÄ BIEÁN ÑOÅI MOÄT CHIEÀU KEÙP Boä giaûm aùp vaø boä taêng aùp laø caùc boä bieán ñoåi ñôn, chuùng chæ cho pheùp taûi hoaït ñoäng trong moät phaàn tö maët phaúng V-A cuûa taûi (hình H4.7). Ñeå môû roäng phaïm vi hoaït ñoäng cuûa taûi ra caùc phaàn tö maët phaúng VA khaùc, ta söû duïng boä bieán ñoåi moät chieàu keùp. 4-6
Ñieän töû coâng suaát 1 4.4.1 BOÄ BIEÁN ÑOÅI KEÙP DAÏNG TOÅNG QUAÙT Sô ñoà boä bieán ñoåi keùp toång quaùt daïng maïch caàu ñöôïc veõ treân hình H4.8. Maïch goàm nguoàn aùp moät chieàu U maéc vaøo 4 coâng taéc S1,,S2 ,S3 ,S4 ñaáu ôû daïng maïch caàu . Moãi coâng taéc coù moät diode maéc ñoái song vôùi noù. Caùc caëp coâng taéc (S1,S4), (S2,S3) laø nhöõng coâng taéc cuøng pha taûi. Hai coâng taéc trong moãi caëp coâng taéc naøy coù theå ñieàu khieån theo qui taéc ñoái nghòch (1 kích ñoùng , 1 kích ngaét). Khi ñoù, doøng qua taûi luoân lieân tuïc neáu taûi coù chöùa L. Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc ñöôïc bieåu dieãn treân hình (H4.9). Hieäu suaát laøm vieäc theo daïng hình H4.9b cao hôn. Vôùi cuøng ñoä lôùn aùp trung bình cuûa taûi, ñoä nhaáp nhoâ doøng taûi thaáp hôn. Ñieän aùp trung bình treân taûi thu ñöôïc töø giaûn ñoà kích ñoùng hình H4.9a: 2.T U = U.( 1 −1) = U.( 2 γ −1) (4.18) t T vaø theo giaûn ñoà ñoùng ngaét hình H4.9b: T U = U. 1 = U.γ (4.19) t T Baèng caùch thay ñoåi tæ leä thôøi gian ñoùng vaø ngaét caùc coâng taéc, trò trung bình ñieän aùp taûi ( vaø doøng ñieän taûi ) ñoåi daáu . Ñaëc tính V-A cuûa boä bieán ñoåi keùp toång quaùt veõ treân hình H4.7 Daïng soùng aùp vaø doøng ñieän khi kích caùc coâng taéc theo giaûn ñoà H4.9 ñöôïc veõ treân hình H4.10 4-7
Ñieän töû coâng suaát 1 4.4.2 - BOÄ BIEÁN ÑOÅI KEÙP DAÏNG ÑAÛO DOØNG Neáu trong maïch boä bieán ñoåi keùp toång quaùt, coâng taéc S2 luoân ôû traïng thaùi kích ñoùng, doøng ñieän qua taûi seõ khoâng ñi qua S3 hoaëc diode D3 neân nhaùnh maïch naøy trong quaù trình phaân tích coù theå loaïi boû. Do S2 ôû traïng thaùi kích ñoùng neân tuøy theo chieàu doøng ñieän taûi maø S2 hoaëc D2 daãn ñieän. Nhaùnh maïch naøy (S2,D2) luoân ôû traïng thaùi ñoùng. Do ñoù, maïch boä bieán ñoåi keùp toång quaùt coù theåå ñôn giaûn thaønh daïng boä bieán ñoåi moät chieàu keùp daïng ñaûo doøng (hình H4.11). Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc S1 S4 theo qui taéc kích ñoái nghòch ñöôïc veõ minh hoïa treân hình (H4.12). Ñieän aùp taïo thaønh treân taûi coù giaù trò khoâng aâm, thay ñoåi giöõa +U vaø 0 tuyø thuoäc vaøo traïng thaùi kích S1 hoaëc S4. Neáu taûi coù nguoàn döï tröõ naêng löôïng ( ví duï ñoäng cô moät chieàu ), baèng caùch thay ñoåi tæ soá thôøi gian kích ñoùng cuûa hai coâng taéc S1 ,S4 , ta coù theå ñieàu khieån ñaûo chieàu doøng ñieän qua taûi. ÔÛ traïng thaùi ñoù, taûi trôû thaønh nguoàn phaùt, ñöa naêng löôïng trôû veà nguoàn. Daïng soùng ñieän aùp vaø doøng ñieän veõ treân hình H4.12 4-8
Ñieän töû coâng suaát 1 Trò trung bình ñieän aùp treân taûi: T U = U. 1 = U.γ (4.20) t T Ñaëc tính V-A cuûa boä bieán ñoåi keùp daïng ñaûo doøng veõ treân hình H4.11b 4.4.3 - BOÄ BIEÁN ÑOÅI KEÙP DAÏNG ÑAÛO AÙP Neáu trong sô ñoà boä bieán ñoåi keùp toång quaùt, ta loaïi boû caùc diode D1 ,D2 vaø coâng taéc S3,S4, ta coù boä bieán ñoåi keùp daïng ñaûo ñieän aùp (hình H4.14) Do caáu truùc cuûa caùc caëp coâng taéc cuøng pha khoâng coøn ôû daïng ñaày ñuû, tính lieân tuïc hoaëc giaùn ñoaïn cuûa doøng ñieän taûi phuï thuoäc vaøo traïng thaùi maïch taûi (tham soá R,L,E vaø giaù trò doøng ñieän it) vaø thôøi gian ñoùng ngaét caùc coâng taéc. Giaû thieát doøng taûi lieân tuïc, moät vaøi giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñoà thò ñieän aùp treân taûi ñöôïc veõ treân hình H4.15a, H4.15b. 4-9
Ñieän töû coâng suaát 1 Giaûn ñoà kích H4.15a cho hieäu suaát laøm vieäc cuûa maïch toát hôn, ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän nhoû. Do ñoù, chaát löôïng doøng ñieän toát hôn. Ñieän aùp trung bình treân taûi ñaït ñöôïc töø giaûn ñoà kích ñoùng H4.15a: T U = U. 1 = U.γ (4.21) t T Vaø töø giaûn ñoà kích ñoùng hình H4.15b: 2T U = U.( 1 −1) = U.( 2 γ −1) (4.22) t T Neáu taûi chöùa nguoàn döï tröõ naêng löôïng, ví duï söùc ñieän ñoäng E cuûa ñoäng cô dc, coâng suaát taûi coù theå traû veà nguoàn moät chieàu theo hai phöông aùn. Vôùi phöông aùn thöù nhaát, söùc ñieän ñoäng E ñöôïc ñoåi daáu (chaúng haïn thay ñoåi chieàu doøng kích töø) vaø theo sô ñoà hình H4.14 taûi trôû thaønh nguoàn phaùt. Ñeå coù theå nhaän naêng löôïng töø taûi ñöa veà, ñieän aùp ngoõ ra cuûa boä bieán ñoåi coâng suaát ut ñöôïc ñieàu chænh ñeán giaù trò aâm. Toác ñoä ñöa coâng suaát veà nguoàn phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn doøng ñieän taûi thieát laäp trong maïch. Vôùi phöông aùn thöù hai, chieàu cuûa söùc ñieän ñoäng E ñöôïc duy trì vaø doøng ñieän qua E seõ ñöôïc ñaûo daáu. Ñeå laøm ñöôïc ñieàu ñoù, caùc vò trí ñaáu daây cuûa taûi ñöôïc ñaûo laïi khi ñaáu vaøo ngoõ ra cuûa boä bieán ñoåi coâng suaát (hình H4.16). ÔÛ traïng thaùi xaùc laäp, ñeå coù theå nhaän coâng suaát töø taûi ñöa veà, ñieän aùp ngoõ ra cuûa boä bieán ñoåi ñöôïc ñieàu khieån ñeán giaù trò aâm töông töï nhö ôû phöông aùn thöù nhaát. Chieàu ñieän aùp ngoõ ra coù theå thöïc hieän ñoåi daáu baèng caùch thay ñoåi thôøi gian ñoùng ngaét caùc coâng taéc (hình H4.15b). Ñaëc tính laøm vieäc cuûa taûi boä bieán ñoåi keùp daïng ñaûo ñieän aùp ñöôïc veõ treân hình H4.14b 4-10
Ñieän töû coâng suaát 1 4.5 MAÏCH LOÏC CHO BOÄ BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN AÙP MOÄT CHIEÀU 4.5.1 MAÏCH LOÏC ÑIEÄN AÙP NGOÕ VAØO Trong hoaït ñoäng cuûa caùc boä bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu, doøng ñieän qua nguoàn ñieän aùp U thay ñoåi daïng xung vôùi taàn soá soùng haøi cô baûn cuûa doøng baèng taàn soá ñoùng ngaét coâng taéc. Khi nguoàn chöùa caûm khaùng trong Ls hoaëc chieàu daøi daây daãn ñaáu töø nguoàn ñeán boä bieán ñoåi taïo neân caûm khaùng ñöôøng daây khoâng theå boû qua, vieäc thay ñoåi doøng ñieän qua nguoàn daïng xung seõ taïo neân phaûn ñieän aùp treân caûm khaùng Ls. Do ñoù, ñieän aùp nguoàn cung caáp thöïc teá cho boä bieán ñoåi bò bieán daïng vaø bò suït aùp. Ñeå haïn cheá söï bieán daïng cuûa aùp nguoàn moät chieàu, ôû ngoõ vaøo cuûa boä bieán ñoåi ñöôïc trang bò maïch loïc C hoaëc LC (hình H4.17). Ñeå ñôn giaûn vieäc tính toaùn maïch loïc, ta giaû thieát doøng taûi it khoâng ñoåi. Do taàn soá ñoùng ngaét coâng taéc S lôùn neân ta coù theå giaû thieát doøng ñieän i qua nguoàn khoâng ñoåi trong chu kyø ñoùng ngaét. Ñoä lôùn ñieän aùp treân tuï Cf giaû thieát coù giaù trò Ucmin ñaït ñöôïc ôû cuoái khoaûng thôøi gian T1 . Ta xeùt moät chu kyø laøm vieäc ôû xaùc laäp. Naêng löôïng do nguoàn U cung caáp: Wng = U.I.T (4.23) Naêng löôïng taûi tieâu thuï Wt = Ut . It .T (4.24) Do Ut = γ U vaø Wng = Wt neân suy ra : I = γ . It (4.25) Tuï loïc Cf tích ñieän trong khoaûng thôøi gian T2 bôûi doøng ñieän iC = i laøm ñieän aùp treân noù taêng töø Ucmin ñeán Ucmax . Ta co:ù T T 1 I I(T − T1) uc max − uc min = . ic.dt = dt = (4.26) C f ∫ C f ∫ C f T1 T1 Thay heä thöùc tính I ta ñöôïc : I t I t u c max − u c min = ∆U c = .γ.(T − T1 ) = (1 − γ).γ (4.27) C f C f .f Neáu ñieàu khieån boä bieán ñoåi theo phöông phaùp taàn soá khoâng ñoåi f=const vaø do γ .(1- γ )≤1/4 khi 0≤ γ ≤1, neân ta suy ra: 4-11
Ñieän töû coâng suaát 1 It ∆U c (4.29) 4.f.∆Uc max Neáu ta ñieàu khieån boä bieán ñoåi theo doøng ñieän yeâu caàu, ta coù theå daãn giaûi gaàn ñuùng : I .L.∆i ∆U (4.31) U.∆U c max L laø caûm khaùng maïch taûi (L=Lph+Lt) vaø ∆imax laø ñoä nhaáp nhoâ lôùn nhaát cho pheùp cuûa doøng ñieän taûi. Caûm khaùng Ls cuûa nguoàn vaø tuï Cf hình thaønh daïng maïch coäng höôûng vôùi taàn soá rieâng fr. Taàn soá ñoùng ngaét coâng taéc S phaûi traùnh choïn ôû laân caän taàn soá naøy. Thöïc teá, coù theå laáy giaù trò f thoûa maõn ñieàu kieän f > ( 2-3).fr . Tröôøng hôïp söû duïng maïch nguoàn khoâng ñoåi nhö acquy, pin, ta khoâng caàn thieát söû duïng maïch loïc . 4.5.2 MAÏCH LOÏC ÑIEÄN AÙP NGOÕ RA Ñieän aùp ngoõ ra cuûa boä bieán ñoåi aùp moät chieàu coù daïng xung. Thaønh phaàn xoay chieàu cuûa ñieän aùp ra taùc duïng laøm doøng ñieän taûi bò nhaáp nhoâ. Töông töï nhö tröôøng hôïp boä chænh löu, doøng taûi coù theå phaân tích laøm hai thaønh phaàn: thaønh phaàn doøng trung bình vaø thaønh phaàn doøng xoay chieàu. Thaønh phaàn xoay chieàu cuûa doøng ñieän taûi gaây baát lôïi cho hoaït ñoäng maïch taûi coù theå haïn cheá baèng caùch taêng taàn soá soùng haøi cô baûn cuûa noù, taêng caûm khaùng maïch taûi hoaëc duøng tuï loïc (hình H4.18) Maïch loïc chöùa tuï coù theå aùp duïng cho taûi coâng suaát nhoû vaø caûm khaùng Lph cho maïch taûi coâng suaát lôùn hôn . 4-12
Ñieän töû coâng suaát 1 Tröôøng hôïp söû duïng caûm khaùng phuï Lph Do taùc duïng loïc cuûa cuoän khaùng loïc Lph , ñieän aùp tröïc tieáp taùc ñoäng treân taûi ut bò naén gaàn phaúng . Ñeå xaùc ñònh ñoä lôùn cuûa Lph töø ñieàu kieän ñoä nhaáp nhoâ cho pheùp cuûa doøng ñieän taûi, ta phaân tích quaù trình doøng ñieän qua taûi it phuï thuoäc vaøo tham soá maïch, aùp nguoàn vaø taàn soá ñoùng ngaét f. Keát quaû phaân tích xaùc ñònh ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän : T1 − T U 1 − e τ ⎛ − 2 ⎞ ∆i = i − i = . ⎜1 − e τ ⎟ (4.32) t max t min R T ⎜ ⎟ 1 − e τ ⎝ ⎠ 1 vôùi T = f T1,T2 laàn löôït laø thôøi gian ñoùng vaø ngaét coâng taét S. L τ = , L = Lph + Lt (4.33) R T L.f Khi nhoû, töùc ñuû lôùn, ta duøng phaân tích chuoãi Mac Laurin. τ R Keát quaû cho ta: U U ∆i ≈ γ()1 − γ (4.37) 4.f .∆imax Vieäc xaùc ñònh ñoä lôùn L coù theå ñôn giaûn hôn neáu ta ñeå yù trò hieäu duïng thaønh phaàn xoay chieàu doøng taûi coù theå tính gaàn ñuùng theo heä thöùc: U σ()1 U σ I σ ≈ I σ()1 = ≈ (4.38) R 2 + ()2.π.f.L 2 R 2 + ()2.π.f.L 2 Uσ, Iσ laø trò hieäu duïng thaønh phaàn xoay chieàu cuûa ñieän aùp vaø doøng taûi. Uσ(1), Iσ(1) laø trò hieäu duïng thaønh phaàn xoay chieàu haøi cô baûn cuûa ñieän aùp vaø doøng taûi. Xeùt boä giaûm aùp, daïng aùp taûi chöùa thaønh phaàn xoay chieàu: 4-13
Ñieän töû coâng suaát 1 T ⎡T1 T ⎤ 1 1 U = ()u − U 2 .dt = ⎢ ()U − γ.U 2 dt + (− γ.U )2 dt ⎥ = γ(1 − γ).U σ T ∫ t t T ⎢∫ ∫ ⎥ 0 ⎣ 0 T1 ⎦ (4.39) 1 Giaù trò cöïc ñaïi cuûa U xaûy ra khi γ = . σ 2 4.6 BOÄ GIAÛM AÙP DUØNG SCR VAØ MAÏCH TAÉT CÖÔÕNG BÖÙC Coâng taéc S trong boä bieán ñoåi moät chieàu phaûi thuoäc loaïi linh kieän ñieàu khieån ngaét doøng ñöôïc nhö transisor BJT, MOSFET, IGBT hoaëc GTO. Trong tröôøng hôïp coâng suaát taûi lôùn, ta coù theå söû duïng thyristor (SCR) laøm coâng taéc. Luùc ñoù, khi ñöa xung kích vaøo maïch coång, ta chæ coù theå ñieàu khieån ñoùng SCR, chöùc naêng ngaét doøng ñieän qua SCR coù theå thöïc hieän baèng maïch phuï. Nhoùm maïch phuï naøy ñöôïc goïi laø boä chuyeån maïch. Nhö vaäy, veà chöùc naêng, SCR keát hôïp vôùi boä chuyeån maïch thöïc hieän vai troø cuûa moät coâng taéc S nhö transistor. Boä chuyeån maïch coù nhieàu loaïi. Trong phaàn döôùi ñaây, ta khaûo saùt boä chuyeån maïch loaïi dao ñoäng. Treân hình H4.19 veõ boä giaûm aùp söû duïng boä chuyeån maïch (BCM) thoâng duïng. BCM naøy goïi laø BCM coù moät maïch dao ñoäng loaïi 1. Coâng taéc S goàm thyristor chính V1 vaø boä chuyeån maïch goàm thyristor phuï V2, tuï vaø caûm khaùng chuyeån maïch L1,C vaø diode V3. Coâng taéc S ñöôïc ñoùng baèng caùch kích ñoùng SCR chính V1, vaø S ñöôïc ngaét baèng caùch kích ñoùng SCR phuï V2. 4-14
Ñieän töû coâng suaát 1 Bôûi vì thôøi gian chuyeån maïch trong phaàn lôùn caùc tröôøng hôïp raát nhoû neân coù theå xem trong thôøi gian chuyeån maïch doøng ñieän qua taûi khoâng thay ñoåi. Ngoaøi ra, vieäc phaân tích coù theå ñôn giaûn baèng caùch giaû thieát raèng doøng ñieän taûi ñöôïc naén lyù töôûng (L→∞). Nguoàn ñieän aùp ñöôïc xem laø lyù töôûng. Khi phaân tích, ta giaû thieát raèng, boä giaûm aùp ñang laøm vieäc ôû traïng thaùi xaùc laäp. Phaân tích vaø toång hôïp BCM trong boä giaûm ñieän aùp: (xem hình H4.20) Traïng thaùi V0 -khoaûng (0,t1): doøng ñieän taûi it = I ñi qua V0. Treân taûi vaø V0 xuaát hieän ñieän aùp baèng 0. Tuï chuyeån maïch chòu taùc duïng cuûa ñieän aùp : 4-15
Ñieän töû coâng suaát 1 uC = U. Theo ñònh luaät Kirchoff, ñieän aùp treân thyristor V1: uV1 = U vaø treân thyristor phuï ñieän aùp baèng 0 : uV2 = 0 . Traïng thaùi (V1,V3) - khoaûng (t1,t3): vaøo thôøi ñieåm t1, V1 ñöôïc kích ñoùng. Treân taûi xuaát hieän ñieän aùp ut = U vaø treân V0 xuaát hieän ñieän aùp nghòch uV0 =-U neân V0 bò ngaét. Vì theá, doøng ñieän taûi it kheùp kín qua nguoàn U vaø thyristor V1. Quaù trình chuyeån maïch dieãn ra giöõa V0 vaø V1 moät caùch tröïc tieáp. BCM (goàm V2 ,LC,V3) khoâng tham döï vaøo quaù trình treân. Ñieän aùp chuyeån maïch chính laø ñieän aùp nguoàn U. Ñoàng thôøi, vieäc ñoùng V1 laøm tuï C phoùng ñieän qua maïch dao ñoäng (V1,V3,L1,C). Quaù trình doøng ñieän vaø ñieän aùp cuûa tuï cho bôûi heä thöùc: −U iC = .sin[]ωr .()t − t1 L1 C` 1 ωr = (4.40) L1.C uC = U.cos[]ωr .()t − t1 Theâm vaøo ñoù: uV2 = -uC iV1 = It- iC (4.41) iV3 = -iC Taïi thôøi ñieåm t3, diode V3 ngaên khoâng cho doøng iC ñoåi chieàu. Diode bò ngaét. Tuï C tieáp tuï duy trì ñieän aùp uC (t3). Vôùùi giaû thieát maïch L1,C lyù töôûng, ñieän aùp naøy baèng (-U) . Ñoái vôùi maïch dao ñoäng thöïc, khi dieãn ra quaù trình tích ñieän theo chieàu ngöôïc laïi cuûa tuï C phaùt sinh toån hao laøm ñieän aùp tuï khoâng theå naïp ñieän theo chieàu ngöôïc laïi ñeán ñoä lôùn aùp nguoàn (-U) maø chæ ñaït ñeán giaù trò gaàn baèng noù. Vì theá, ta coù theå choïn: uC(t3) = -K1.U 1> K1 = 0,7→0.9 (4.42) Traïng thaùi V1- khoaûng (t3,t4): töø thôøi ñieåm t3, V1 ñoùng vaø doøng It qua noù. Traïng thaùi BCM töø thôøi ñieåm t3 khoâng thay ñoåi. Tuï chuyeån maïch ñaõ ñöôïc chuaån bò ñeå ngaét V1. Traïng thaùi V2 - khoaûng (t4,t6): ñeå ngaét coâng taéc S taïi thôøi ñieåm t4 , ta thöïc hieän kích ñoùng V2. Thyristor V2 ñoùng laøm ñieän aùp tuï chuyeån maïch ñaët leân V1 laø ñieän aùp nghòch, laøm noù bò ngaét laäp töùc. Do tính lieân tuïc, doøng taûi it tieáp tuïc daãn kheùp kín qua maïch (U,C,V2,RLE) vaø tích ñieän cho tuï C theo heä thöùc: t 1 u = u (t ) + I .dt C C 4 C ∫ t t4 Bôûi vì uC(t4) = uC(t3), sau khi laáy tích phaân, ta coù: I u = t (t − t ) − K .U (4.43) C C 4 1 4-16
Ñieän töû coâng suaát 1 Trong thôøi gian V2 ñoùng, ta coù uV1 = uC. Trong khoaûng thôøi gian (t4,t5) ñieän aùp naøy coù giaù trò aâm vaø nhôø ñoù V1 khoâi phuïc khaû naêng khoùa cuûa mình. Treân taûi xuaát hieän ñieän aùp: ut = U - uC = -uV0 (4.44) Taïi thôøi ñieåm t6, tuï naïp ñeán giaù trò uC = U laøm ñieän aùp taûi vaø aùp treân diode V0 baèng 0. Heä quaû, sau thôøi ñieåm t6 diode V0 ñoùng va doøng naïp tuï daãn qua V2 bò ngaét. Doøng ñieän khoâng theå tieáp tuïc ñi qua nhaùnh V2,C bôûi vì neáu nhö vaäy, ñieän aùp uC seõ vöôït quaù giaù trò U vaø theo sô ñoà maïch cho traïng thaùi V2, ta seõ coù (uC – U) > 0 xuaát hieän treân V0 theo chieàu döông, ñieàu naøy khoâng theå xaûy ra. Do ñoù, töø thôøi ñieåm t6, doøng ñieän taûi kheùp kín qua V0. Vaán ñeà khôûi ñoäng boä giaûm aùp: tröôùc khi cho maïch hoaït ñoäng, caàn phaûi ñaûm baûo ñieän aùp caàn thieát cho tuï chuyeån maïch hoïat ñoäng baèng caùch tích ñieän cho noù. Vieäc thöïc hieän coù theå tieán haønh ñôn giaûn neáu tröôùc khi cho maïch hoïat ñoäng, ta cho ñoùng V2 hoaëc noái anode V2 ñeán ñieän cöïc aâm cuûa ñieän aùp U qua moät ñieän trôû khaù lôùn. Ñònh möùc caùc thoâng soá cho boä giaûm aùp: xuaát phaùt töø ñieàu kieän ngaét an toaøn cuûa caùc thyristor. Thôøi gian baûo veä maø thyristor bò ngaét caàn coù ñeå khoâi phuïc khaû naêng khoùa cuûa mình ñöôïc kyù hieäu laø t0. Linh kieän seõ ñöôïc choïn sao cho khoaûng thôøi gian ngaét an toaøn nhoû nhaát xuaát hieän töø keát quaû phaân tích maïch luoân luoân lôùn hôn giaù trò tq cho bôûi töøng thyristor. Ñeå tính toùan ñieän dung cuûa tuï chuyeån maïch C, ta döïa vaøo ñieàu kieän ngaét V1. Töø hình H4.20, ta coù: t0(V1)MIN = (t5 - t4 )MIN> tq(V1) (4.45) Trong khoaûng thôøi gian (t1,t6), ta coù uV1 = uC. Khoaûng thôøi gian (t4,t5) coù theå ñöôïc daãn giaûi theo ñieàu kieän t = t5, uC = 0: C t5 - t4 = t0(V1) = K1.U. (4.46) It t0(V1) ñaït giaù trò nhoû nhaát khi It lôùn nhaát töùc baèng ItM. Töø ñoù: ItM .to(V ) C = 1 min (4.47) K1.U Ñeå tính toaùn L1, ta daãn giaûi töø ñieàu kieän ngaét V2. Treân hình veõ H4.20 phaân tích daïng soùng aùp vaø doøng ñieän cuûa V2, ta thaáy thôøi gian khoâi phuïc khaû naêng khoaù cuûa V2 seõ nhoû nhaát neáu khoaûng daãn cuûa V0 baèng 0. Luùc ñoù, t6=t7, vaø thôøi gian t0(V2) seõ baèng 1/4 chu kyø dao ñoäng cuûa maïch L1,C. Vôùi kyù hieäu chu kyø dao ñoäng cuûa maïch baèng Tr, ta coù: Tr π t0 = = . L1.C (4.48) ()V2 MIN 4 2 Töø ñoù, ta coù: 2 4.t0(V 2 )MIN L1 = (4.49) π2C Ñoä lôùn cuûa L1,C aûnh höôûng ñeán bieân ñoä cuûa doøng Icm cuûa maïch dao ñoäng 4-17
Ñieän töû coâng suaát 1 U Icm = (4.50) L1 C Ta caàn kieåm tra giaù trò cuûa Icm vaø töø ñoù ñieàu chænh laïi giaù trò cuûa L1 ñeå doøng ñieän qua linh kieän V1 khoâng lôùn quaù. Thoâng thöôøng, ta coù theå choïn Icm = 2.ItM. 4-18
Ñieän töû coâng suaát 1 4.7 BOÄ BIEÁN ÑOÅI MOÄT CHIEÀU NHIEÀU PHA Boä bieán ñoåi moät chieàu nhieàu pha coù caáu taïo goàm nhieàu boä bieán ñoåi moät chieàu ñôn gheùp laïi. Caùc boä bieán ñoåi moät chieàu ñôn naøy coù soùng raêng cöa leäch pha nhau goùc töông öùng thôøi gian T/m , vôùi T laø chu kyø soùng raêng cöa duøng ñieàu khieån moãi boä bieán ñoåi ñôn vaø m laø toång soá boä bieán ñoåi ñôn coù trong maïch. Phöông phaùp ñieàu khieån caùc boä bieán ñoåi moät chieàu nhieàu pha ñöôïc söû duïng chuû yeáu laø ñieàu khieån vôùi taàn soá ñoùng ngaét khoâng ñoåi. Theo caáu taïo, ta phaân bieät boä bieán ñoåi nhieàu pha khoâng söû duïng maùy bieán aùp trung gian vaø boä bieán ñoåi söû duïng maùy bieán aùp trung gian. Theo caùch gheùp caùc boä bieán ñoåi moät chieàu ta phaân bieät boä bieán ñoåi moät chieàu nhieàu pha song song vaø boä bieán ñoåi moät chieàu nhieàu pha noái tieáp. 4.7.1 BOÄ BIEÁN ÑOÅI MOÄT CHIEÀU NHIEÀU PHA SONG SONG Tröôøng hôïp khoâng söû duïng maùy bieán aùp trung gian: Boä bieán ñoåi nhieàu pha treân hình veõ H4.21 coù caáu taïo goàm 2 khoùa baùn daãn S1,S2. Moãi khoùa coù trang bò diode khoâng keøm theo D1,D2. Ngoõ ra cuûa moãi boä bieán ñoåi ñôn (Sj,Dj) maéc vaøo cuoän khaùng naén doøng Lj. Caùc cuoän khaùng ñaáu chung vaøo ñieåm nuùt vôùi taûi DC. Maëc daàu caùc khoùa Sj cuûa caùc boä bieán ñoåi ñôn ñöôïc ñieàu khieån kích daãn ôû nhöõng thôøi ñieåm khoâng hoaøn toaøn gioáng nhau, nhöng ôû cheá ñoä xaùc laäp, tæ soá thôøi gian ñoùng cuûa moãi khoùa Sj ñeàu baèng nhau. Maëc khaùc, ta bieát trò trung bình ñieän aùp treân caùc cuoän khaùng naén doøng Lj baèng zero neân ta suy ra trò trung bình ñieän aùp treân taûi khi tæ soá thôøi gian ñoùng baèng γ laø: Ut= γ .U (4.51) Doøng ñieän taûi it ñöôïc phaân boá ñoàng ñeàu treân caùc boä bieán ñoåi nhaùnh maéc song song. Trong thöïc teá, thoâng soá caùc phaàn töû treân caùc boä bieán ñoåi nhaùnh khoâng ñoàng nhaát vaø xuaát hieän söï sai bieät doøng ñieän giöõa caùc nhaùnh. Do ñoù, maïch hieäu chænh doøng ñieän 4-19
Ñieän töû coâng suaát 1 seõ phaûi thöïc hieän nhieäm vuï ñieàu chænh ñoä roäng xung thích hôïp ñeå caân baèng doøng ñieän qua caùc pha nhaùnh. Heä quaû cuûa boä bieán ñoåi nhieàu pha: Vôùi giaû thieát doøng ñieän qua taûi vaø qua nguoàn DC ñöôïc naén lyù töôûng, coù theå chöùng minh raèng, bieân ñoä thaønh phaàn xoay chieàu cuûa ñieän aùp xuaát hieän treân tuï loïc Cf giaûm tæ leä vôùi bình phöông soá pha cuûa boä bieán ñoåi vaø bieân ñoä thaønh phaàn doøng xoay chieàu xuaát hieän phía taûi giaûm tuyeán tính vôùi soá pha cuûa boä bieán ñoåi. Caùc ñoà thò treân hình H4.22 moâ taû giaûn ñoà ñoùng ngaét caùc coâng taéc S1,S2 vôùi tæ soá γ 0.5. Tröôøng hôïp söû duïng maùy bieán aùp trung gian: Sô ñoà maïch boä bieán ñoåi nhieàu pha söû duïng maùy bieán aùp trung gian ñöôïc veõ minh hoïa treân hình H4.24 vôùi soá pha m 4-20
Ñieän töû coâng suaát 1 baèng 2. Töø öùng duïng cuûa maùy bieán aùp trung gian trong boä chænh löu, ta thaáy raèng noù coù taùc duïng taïo ñieàu kieän phaân boá doøng ñieän ñeàu ñaën treân caùc nhaùnh pha. Ñoàng thôøi, töø vieäc phaân tích ñieän aùp treân taûi döôùi taùc duïng maùy bieán aùp trung gian, keát quaû daãn ñeán vieäc giaûm bôùt thaønh phaàn xoay chieàu ñieän aùp treân taûi DC. : Phaân tích quaù trình ñieän aùp: Phaân tích quaù trình ñieän aùp treân taûi coù theå thöïc hieän töông töï nhö phaân tích quaù trình chuyeån maïch cuûa hai nhoùm chænh löu – xem chöông 2- phaàn 2.11, 2.12). Luùc ñoù, maïch töông ñöông cuûa boä bieán ñoåi nhieàu pha coù daïng töông ñöông treân hình H4.24. Vôùi ud1 vaø ud2 coù theå suy ra töø giaûn ñoà kích ñoùng caùc linh kieän S1,S2. ⎧U khi S1 = 1 ⎧U khi S2 = 1 ud1 = ⎨ ;ud 2 = ⎨ (4.52) ⎩0 khi S1 = 0 ⎩0 khi S2 = 0 Giaû thieát cuoän daây maùy bieán aùp trung gian chia laøm 2 phaàn baèng nhau vôùi ñoä töï caûm treân moãi nöûa baèng LT/2 vaø giaû thieát caùc voøng daây quaán kín loõi töø, ta coù phöông trình aùp treân taûi trong quaù trình chuyeån maïch: u u u + u u = u − LT = u + LT = d1 d 2 (4.53) t d1 2 d 2 2 2 Ñieän aùp treân taûi baèng trò trung bình ñieän aùp töùc thôøi cuûa hai nguoàn ñaáu vaøo noù. Caùc khaû naêng keát hôïp cuûa nguoàn ud1 vaø ud2 ñöôïc cho trong baûng B4.1: Baûng B4.1 o n ud1 ud2 ut 1 U U U 2 0 U U/2 3 U 0 U/2 4 0 0 0 Nhö vaäy, neáu ñieàu khieån ñieän aùp taûi theo kieåu phoái hôïp hai traïng thaùi 1 vaø 2 hoaëc 1 vaø 3, ta coù theå laøm thay ñoåi ñieän aùp taûi trong phaïm vi (U/2;U). Töông töï, keát 4-21
Ñieän töû coâng suaát 1 hôïp hai traïng thaùi 2 vaø 4 hoaëc 3 vaø 4, ta coù theå ñieàu chænh ñieän aùp treân taûi naèm trong phaïm vi (0;U/2). Giaûn ñoà ñoùng ngaét vaø quaù trình ñieän aùp taûi ut, doøng taûi it, quaù trình ñieän aùp uLT vaø doøng ñieän töø hoùa iu cuûa maùy bieán aùp, doøng ñieän qua caùc nhaùnh pha i1, i2 vaø doøng ñieän qua nguoàn DC i coù theå theo doõi treân hình H4.25 cho tæ soá γ 1/2. Phaân tích quaù trình doøng ñieän: Doøng ñieän qua maùy bieán aùp trung gian goàm doøng ñieän qua hai nhaùnh pha. Doøng qua moãi nhaùnh pha chöùa thaønh phaàn dc vaø thaønh phaàn ac. Giaû thieát caáu taïo hai nhaùnh pha laø ñoàng nhaát, thaønh phaàn doøng ñieän dc trong moãi nhaùnh seõ nhö nhau. Do ñieän aùp taïo treân moãi nöûa maùy bieán aùp trung gian baèng nhau neân suy ra doøng töø hoùa cuûa chuùng cuõng baèng nhau. Töø ñoù, ta coù: i1=id/2+iu/2 (4.54) i2=id/2-iu/2 Doøng ñieän töø hoùa maùy bieán aùp trung gian iu=i1-i2 (4.55) Trong tröôøng hôïp caûm khaùng maùy bieán aùp trung gian voâ cuøng lôùn LT → ∞ , ta boû qua doøng töø hoùa vaø doøng qua moãi nhaùnh pha baèng nöûa giaù trò doøng taûi: iu=0 i1=i2=id/2 (4.56) Quaù trình doøng ñieän qua taûi vaø moãi nhaùnh pha ñöôïc veõ minh hoïa treân hình H4.26. 4-22
Ñieän töû coâng suaát 1 Coù theå daãn giaûi raèng, vôùi cuøng moät giaù trò ñoä töï caûm L maïch taûi nhö nhau, boä bieán ñoåi m pha seõ cho ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän taûi giaûm ñi m bình phöông (m2) laàn Boä bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu 4 pha söû duïng maùy bieán aùp trung gian- xem sô ñoà treân hình veõ H4.27. Baèng caùch keát hôïp ñieàu khieån 4 khoùa S1,S2,S3 vaø S4- xem baûng traïng thaùi keøm theo, ta coù theå thay ñoåi ñieän aùp treân taûi trong caùc phaïm vi (0;U/4), (U/4;U/2), (U/2;3U/4) vaø (3U/4;U) (xem baûng B4.2) Caùc ñieän aùp trung gian coù theå xaùc ñònh theo caùc heä thöùc sau: u + u u + u u + u u + u + u + u u = d1 d 2 ; u = d3 d4 vaø u = d12 d34 = d1 d 2 d3 d4 d12 2 d34 2 t 2 4 (4.57) Xung kích ñoùng caùc coâng taéc ñöôïc thöïc hieän leäch pha nhau 1/m chu kyø soùng raêng cöa vôùi cuøng tæ soá γ . Treân hình H4.27 minh hoïa caùc tröôøng hôïp khaùc nhau cuûa daïng ñieän aùp taûi ut khi tæ soá thôøi gian ñoùng γ thay ñoåi. Treân hình veõ H4.28a,b minh hoïa cho tröôøng hôïp 0.75< γ <1 ñoà thò caùc quaù trình xung kích ñoùng caùc linh kieän, quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän qua taûi ut,it , doøng ñieän qua nguoàn I, doøng ñieän qua caùc nhaùnh cuûa maùy bieán aùp trung gian i1,i2,i3. i4,i5,i6. doøng ñieän töø hoùa maùy bieán aùp iu1,iu2,iu3; vaø ñieän aùp treân phía sô caáp bieán theá uLT1, uLT2 vaø uLT3. 4-23
Ñieän töû coâng suaát 1 Baûng B4.2 0 N S1 S2 S3 S4 ud12 ud34 ud 01 0 0 0 0 0 0 0 02 0 0 0 1 0 U/2 U/4 03 0 0 1 0 0 U/2 U/4 04 0 0 1 1 0 U U/2 05 0 1 0 0 U/2 0 U/4 06 0 1 0 1 U/2 U/2 U/2 07 0 1 1 0 U/2 U/2 U/2 08 0 1 1 1 U/2 U 3U/4 09 1 0 0 0 U/2 0 U/4 10 1 0 0 1 U/2 U/2 U/2 11 1 0 1 0 U/2 U/2 U/2 4-24
Ñieän töû coâng suaát 1 12 1 0 1 1 U/2 U 3U/4 13 1 1 0 0 U 0 U/2 14 1 1 0 1 U U/2 3U/4 15 1 1 1 0 U U/2 3U/4 16 1 1 1 1 U U U 4-25
Ñieän töû coâng suaát 1 Ví duï 4.1 Boä giaûm aùp caáp nguoàn aùp cho phaàn öùng cuûa ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Nguoàn moät chieàu U = 220V, taàn soá ñoùng ngaét f = 500Hz. Taûi ñoäng cô coù Rö = 2Ω. Lö khaù lôùn vaø söùc ñieän ñoäng E = 1,253.ω [V;rad/s]. Moment ñoäng cô luoân baèng ñònh möùc, töùc Iödm=11,6[A] a. Tính tæ soá T1/T khi vaän toác ñoäng cô laø 1000 voøng/phuùt b. Tính ñieän aùp taûi nhoû nhaát ôû cheá ñoä doøng taûi lieân tuïc, töø ñoù xaùc ñònh thôøi gian ñoùng toái thieåu T1 cuûa cheá ñoä doøng lieân tuïc. Giaûi: a. 2π n 2π 1000 ω == =104,[72 rad /s] 60 60 EV==1,.253 ω 1,.,253104 72 =131,21[] ÔÛ cheá ñoä xaùc laäp Ut = Rö.It + E U t = 2.11,6 + 131,21 = 154,4[V] T Vôùi doøng taûi lieân tuïc U = 1 .U t T T U 154,4 Töø ñoù: 1 = t = = 0,7018 T U 220 b.- Ñieän aùp taûi nhoû nhaát khi E → 0. Luùc ñoù: U tmin = Rö.It = 2.11,6 = 23,2[V] U 1 U 1 23,2 Töø ñoù:T = T . t min = . t min = . = 2,1.10 −4 [ s] 1 min U f U 500 220 Ví duï 4.2 Cho boä giaûm aùp caáp nguoàn cho ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Nguoàn moät chieàu U = 220V. Taûi coù Rö nhoû khoâng ñaùng keå Lö = 32,5 mH. Söùc ñieän ñoäng E =1,253.ω vôùi ω [rad/s] laø vaän toác ñoäng cô. Taàn soá ñoùng ngaét boä giaûm aùp f = 500Hz. Cho bieát doøng taûi lieân tuïc vaø maïch ôû xaùc laäp T1 1. Tính tæ soá γ = khi vaän toác ñoäng cô n = 1500 v/ph. T 2. Goïi ittmin vaø itmax laø trò nhoû nhaát vaø lôùn nhaát cuûa doøng ñieän qua taûi. Tính hieäu ∆it = itmax - itmin 3. Ñeå giaûm bôùt ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän ∆it sao cho ∆it < 1A caàn phaûi theâm caûm khaùng phuï baèng bao nhieâu 4. Trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng theâm caûm khaùng phuï, caàn phaûi ñieàu chænh taàn soá ñoùng ngaét nhö theá naøo ñeå ∆it < 1A 5. Moät caùch toång quaùt, khi E thay ñoåi trong khoaûng ( 0, +U), tìm ñieàu kieän veà f vaø L ñeå ñoä nhaáp nhoâ doøng ôû xaùc laäp thoûa ñieàu kieän ∆it < ∆itmax Giaûi: n 1500 ω ==2ππ 2 =157[rad /s] 60 60 4-26
Ñieän töû coâng suaát 1 ÔÛ cheá ñoä xaùc laäp Ut = E = 1,253.ω Ut = 1,253. 157 = 196,8[V] T Ôû cheá ñoä doøng lieân tuïc U = U. 1 = U.γ t T E 196,8 Töø ñoù: U = U.γ = E ⇒ γ = = = 0,8946 t U 220 2.- Khi coâng taéc S ñoùng: di u = U = L. t + E t dt U − E hay: di = .dt t L Doøng ñieän taêng trong khoaûng thôøi gian ñoùng coâng taéc töø giaù trò ban ñaàu itmin ñeán giaù trò cöïc ñaïi it max . Laáy tích phaân hai veá cuûa phöông trình trong khoaûng ñoùng S. U − E ∆i = i − i = .T t t max t min L 1 T Do 1 = γ = T .f neân: T 1 U − E γ 220 −196,8 0,8946 ∆i = . = . =1,277 [ A] t L f 0,0325 500 3.- Ñeå giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän ∆it . ∆i t max f 220 −196,8 0,8946 ⇔ L > . = 0,0415[H ] 1 500 Töø ñoù caûm khaùng phuï theâm vaøo toái thieåu baèng: Lph min = L - Lu = 0,0415 - 0,0325 = 0,009 [H] = 9 [mH] 4.- Trong tröôøng hôïp giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän baèng caùch thay ñoåi taàn soá ñoùng ngaét f, ta coù: U − E 220 −196,8 f > .γ = .0,8946 = 648,5[Hz ] ∆i t max .L 1.0,0325 Nhö vaäy taàn soá f phaûi lôùn hôn 649 Hz 5.- Ta coù: U − E γ U − γ.U γ U ∆i = . = . = ()1 − γ .γ t L f L f L.f 1 1 U U 1 Do haøm (1 - γ ) γ coù trò cöïc ñaïi baèng khi γ = neân ∆i = .γ.()1 − γ ≤ . 4 2 t L.f L.f 4 Ñieàu kieän ñeå ∆it = = 55 [H.H Z ] 4.∆i t max 4.1 Vieäc choïn taàn soá vaø caûm khaùng phuï tuøy yù, thoûa ñieàu kieän f.L > 55 {H.HZ] Ghi chuù: Do ñieän trôû phaàn öùng cuûa ñoäng cô moät chieàu thöôøng raát nhoû neân keát quaû tính treân coù theå söû duïng trong thöïc teá vôùi sai soá chaáp nhaän ñöôïc. 4-27
Ñieän töû coâng suaát 1 Ví du 4.3 Cho boä bieán ñoåi moät chieàu keùp daïng ñaûo doøng. Nguoàn moät chieàu U = 230 V. Taûi laø ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp Rö L E, Rö = 0,1 Ω. Ñoäng cô ñang chaïy ôû vaän toác ñònh möùc thoûa maõn E = 4,2.ω ; nñm =500v/ph, ta thöïc hieän haõm ñoäng cô . Ñeå ñaït ñöôïc moment haõm T ñoäng cô baèng ñònh möùc doøng qua phaàn öùng phaûi coù ñoä lôùn - 100 A, caàn thieát laäp tæ soá γ = 1 T baèng bao nhieâu ?. Giaûi: U t = γ .U = Rö.It +E Trong ñoù, söùc ñieän ñoäng caûm öùng E; 2π.n E ==42,,ω 42.dm 60 42,.2π.500 ==219,91 V 60 I t = - 100 A , U =230 V Töø ñoù: γ .230 = (0,1).(-100) + 219,91 −10 + 219,91 ⇒ γ = = 0,91 230 4-28
Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG NAÊM BOÄ NGHÒCH LÖU VAØ BOÄ BIEÁN TAÀN Boä nghòch löu coù nhieäm vuï chuyeån ñoåi naêng löôïng töø nguoàn ñieän moät chieàu khoâng ñoåi sang daïng naêng löôïng ñieän xoay chieàu ñeå cung caáp cho taûi xoay chieàu. Ñaïi löôïng ñöôïc ñieàu khieån ôû ngoõ ra laø ñieän aùp hoaëc doøng ñieän. Trong tröôøng hôïp ñaàu, boä nghòch löu ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp vaø tröôøng hôïp sau laø boä nghòch löu doøng. Nguoàn moät chieàu cung caáp cho boä nghòch löu aùp coù tính chaát nguoàn ñieän aùp vaø nguoàn cho boä nghòch löu doøng coù tính nguoàn doøng ñieän. Caùc boä nghòch löu töông öùng ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp nguoàn aùp vaø boä nghòch löu doøng nguoàn doøng hoaëc goïi taét la øboä nghòch löu aùp vaø boä nghòch löu doøng. Trong tröôøng hôïp nguoàn ñieän ôû ñaàu vaøo vaø ñaïi löôïng ôû ngoõ ra khoâng gioáng nhau, ví duï boä nghòch löu cung caáp doøng ñieän xoay chieàu töø nguoàn ñieän aùp moät chieàu, ta goïi chuùng laø boä nghòch löu ñieàu khieån doøng ñieän töø nguoàn ñieän aùp hoaëc boä nghòch löu doøng nguoàn aùp. Caùc boä nghòch löu taïo thaønh boä phaän chuû yeáu trong caáu taïo cuûa boä bieán taàn. ÖÙùng duïng quan troïng vaø töông ñoái roäng raõi cuûa chuùng nhaèm vaøo lónh vöïc truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô xoay chieàu vôùi ñoä chính xaùc cao. Trong lónh vöïc taàn soá cao, boä nghòch löu ñöôïc duøng trong caùc thieát bò loø caûm öùng trung taàn, thieát bò haøn trung taàn. Boä nghòch löu coøn ñöôïc duøng laøm nguoàn ñieän xoay chieàu cho nhu caàu gia ñình, laøm nguoàn ñieän lieân tuïc UPS, ñieàu khieån chieáu saùng, boä nghòch löu coøn ñöôïc öùng duïng vaøo lónh vöïc buø nhuyeãn coâng suaát phaûn khaùng. Caùc taûi xoay chieàu thöôøng mang tính caûm khaùng (ví duï ñoäng cô khoâng ñoàng boä, loø caûm öùng), doøng ñieän qua caùc linh kieän khoâng theå ngaét baèng quaù trình chuyeån maïch töï nhieân. Do ñoù, maïch boä nghòch löu thöôøng chöùa linh kieän töï kích ngaét ñeå coù theå ñieàu khieån quaù trình ngaét doøng ñieän. Trong caùc tröôøng hôïp ñaëc bieät nhö maïch taûi coäng höôûng, taûi mang tính chaát dung khaùng (ñoäng cô ñoàng boä kích töø dö ), doøng ñieän qua caùc linh kieän coù theå bò ngaét do quaù trình chuyeån maïch töï nhieân phuï thuoäc vaøo ñieän aùp nguoàn hoaëc phuï thuoäc vaøo ñieän aùp maïch taûi. Khi ñoù, linh kieän baùn daãn coù theå choïn laø thyristor (SCR). 5.1 - BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP Boä nghòch löu aùp cung caáp vaø ñieàu khieån ñieän aùp xoay chieàu ôû ngoõ ra. Trong caùc tröôøng hôïp khaûo saùt döôùi ñaây ta xeùt boä nghòch löu aùp vôùi quaù trình chuyeån maïch cöôõng böùc söû duïng linh kieän coù khaû naêng ñieàu khieån ngaét doøng ñieän. Nguoàn ñieän aùp moät chieàu coù theå ôû daïng ñôn giaûn nhö acquy, pin ñieän hoaëc ôû daïng phöùc taïp goàm ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc chænh löu vaø loïc phaúng. Linh kieän trong boä nghòch löu aùp coù khaû naêng kích ñoùng vaø kích ngaét doøng ñieän qua noù, töùc ñoùng vai troø moät coâng taéc. Trong caùc öùng duïng coâng suaát nhoû vaø vöøa, coù theå söû duïng transistor BJT, MOSFET, IGBT laøm coâng taéc vaø ôû phaïm vi coâng suaát lôùn coù theå söû duïng GTO, IGCT hoaëc SCR keát hôïp vôùi boä chuyeån maïch. Vôùi taûi toång quaùt, moãi coâng taéc coøn trang bò moät diode maéc ñoái song vôùi noù. Caùc diode maéc ñoái song naøy taïo thaønh maïch chænh löu caàu khoâng ñieàu khieån coù chieàu daãn ñieän ngöôïc laïi vôùi chieàu daãn ñieän cuûa caùc coâng taéc. Nhieäm vuï cuûa boä chænh löu caàu diode laø taïo ñieàu kieän 5-1
Ñieän töû coâng suaát 1 thuaän lôïi cho quaù trình trao ñoåi coâng suaát aûo giöõa nguoàn moät chieàu vaø taûi xoay chieàu, qua ñoù haïn cheá quaù ñieän aùp phaùt sinh khi kích ngaét caùc coâng taéc. 5.1.1 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP MOÄT PHA Boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu (coøn goïi laø boä nghòch löu daïng chöõ H) (hình H5.1a) chöùa 4 coâng taéc vaø 4 diode maéc ñoái song. Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñoà thò aùp taûi ñöôïc veõ treân hình 5.1b. Boä nghòch löu cuõng coù theå maéc döôùi daïng maïch tia (hình H5.2). Maïch goàm hai coâng taéc vaø hai diode maéc ñoái song vôùi chuùng. Maïch taûi vaø ngoõ ra cuûa boä nghòch löu caùch ly qua maùy bieán aùp vôùi cuoän sô caáp phaân chia. Phía Trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng maùy bieán aùp caùch ly phía taûi, nguoàn ñieän aùp moät chieàu caàn thieát keá vôùi nuùt phaân theá ôû giöõa (hình H5.3), ñaây laø daïng maïch nghòch löu aùp nöûa caàu. 5-2
Ñieän töû coâng suaát 1 5.1.2 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP BA PHA Trong thöïc teá maïch boä nghòch löu aùp ba pha chæ gaëp ôû daïng maïch caàu (hình H5.4a). Maïch chöùa 6 coâng taéc S1,S2 S6 vaø 6 diode ñoái song D1,D2 D6. 5-3
Ñieän töû coâng suaát 1 Taûi ba pha coù theå maéc ôû daïng hình sao (H5.4b) hoaëc tam giaùc (H5.4c). 5.1.3 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC (Multi-level Voltage source Inverter) Caùc boä nghòch löu vöøa ñöôïc moâ taû ôû phaàn 5.1.1 vaø 5.1.2 chöùa 2 khoùa baùn daãn (IGBT) treân moãi nhaùnh pha taûi. Chuùng ñöôïc goïi chung laø loïai nghòch löu aùp 2 baäc (two- level VSI), ñöôïc aùp duïng roäng raõi trong phaïm vi coâng suaát vöøa vaø nhoû. Khaùi nieäm hai baäc xuaát phaùt töø quaù trình ñieän aùp giöõa ñaàu moät pha taûi (vò trí 1,2,3) ñeán moät ñieåm ñieän theá chuaån treân maïch dc (ñieåm 0) (pole to phase voltage) thay ñoåi giöõa hai baäc giaù trò khaùc nhau, ví duï khi choïn ñieåm coù ñieän theá chuaån laø taâm nguoàn dc thì ñieän aùp töø pha taûi ñeán taâm nguoàn thay ñoåi giöõa (+U/2) vaø (-U/2) trong quaù trình ñoùng ngaét caùc linh kieän. Boä nghòch löu aùp 2 baäc coù nhöôïc ñieåm laø taïo ñieän aùp cung caáp cho cuoän daây ñoäng cô vôùi ñoä doác (dV/dt) khaù lôùn vaø gaây ra moät soá vaán ñeà khoù khaên bôûi toàn taïi traïng thaùi khaùc zero cuûa toång ñieän theá töø caùc pha ñeán taâm nguoàn dc (common-mode voltage) (xem daïng ñieän aùp uNO). Boä nghòch löu aùp ña baäc ñöôïc phaùt trieån ñeå giaûi quyeát caùc vaán ñeà gaây ra neâu treân cuûa boä nghòch löu aùp 2 baäc vaø thöôøng ñöôïc söû duïng cho caùc öùng duïng ñieän aùp cao vaø coâng suaát lôùn. Öu ñieåm cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc: coâng suaát cuûa boä nghòch löu aùp taêng leân; ñieän aùp ñaët leân caùc linh kieän bò giaûm xuoáng neân coâng suaát toån hao do quaù trình ñoùng ngaét cuûa linh kieän cuõng giaûm theo; vôùi cuøng taàn soá ñoùng ngaét, caùc thaønh phaàn soùng haøi baäc cao cuûa ñieän aùp ra giaûm nhoû hôn so vôùi tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp hai baäc. Ñoái vôùi taûi coâng suaát lôùn, ñieän aùp cung caáp cho caùc taûi coù theå ñaït giaù trò töông ñoái lôùn, Caùc caáu hình cô baûn cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc: Caáu hình daïng cascade (Cascade inverter):[28],[48] -hình H5.5b, söû duïng caùc nguoàn dc rieâng, thích hôïp söû duïng trong tröôøng hôïp nguoàn dc coù saün ví duï döôùi daïng acquy, battery. Cascade inverter goàm nhieàu boä nghòch löu aùp caàu moät pha gheùp noái tieáp, caùc boä nghòch löu aùp daïng caàu moät pha naøy coù caùc nguoàn DC rieâng. 5-4
Ñieän töû coâng suaát 1 Baèng caùch kích ñoùng caùc linh kieän trong moãi boä nghòch löu aùp moät pha, 3 möùc ñieän aùp (-U,0,U) ñöôïc taïo thaønh. Söï keát hôïp hoïat ñoäng cuûa n boä nghòch löu aùp treân moät nhaùnh pha taûi seõ taïo neân n khaû naêng möùc ñieän aùp theo chieàu aâm (-U,-2U,-3U, ,-nU), n khaû naêng möùc ñieän aùp theo chieàu döông (U,2U,3U, ,nU) vaø möùc ñieän aùp 0. Nhö vaäy, boä nghòch löu aùp daïng cascade goàm n boä nghòch löu aùp moät pha treân moãi nhaùnh seõ taïo thaønh boä nghòch löu (2n+1) baäc. Taàn soá ñoùng ngaét trong moãi modul cuûa daïng maïch naøy coù theå giaûm ñi n laàn vaø dv/dt cuõng giaûm ñi nhö vaäy. Ñieän aùp treân aùp ñaët leân caùc linh kieän giaûm ñi 0,57n laàn. Cho pheùp söû duïng linh kieän IGBT ñieän aùp thaáp. Ngoaøi daïng maïch goàm caùc boä nghòch löu aùp moät pha, maïch nghòch löu aùp ña baäc coøn coù daïng gheùp töø ngoõ ra cuûa caùc boä nghòch löu aùp 3 pha (H5.5c). Caáu truùc naøy cho pheùp giaûm dv/dt vaø vaø taàn soá ñoùng ngaét coøn 1/3. Maïch cho pheùp söû duïng caùc caáu hình nghòch löu aùp ba pha chuaån. Maïch nghòch löu ñaït ñöôïc söï caân baèng ñieän aùp caùc nguoàn dc, khoâng toàn taïi doøng caân baèng giöõa caùc module. Tuy nhieân, caáu taïo maïch ñoøi hoûi söû duïng caùc maùy bieán aùp ngoõ ra. Caáu hình nghòch löu chöùa caëp diode keïp: (Neutral point Clamped Multilevel Inverter (NPC) hoaëc- diode clamped multilevel inverter):-hình H5.5a, söû duïng thích hôïp khi caùc nguoàn dc taïo neân töø heä thoáng ñieän ac. Boä nghòch löu ña baäc chöùa caùc caëp diode keøm coù moät maïch nguoàn DC ñöôïc phaân chia thaønh moät soá caáp ñieän aùp nhoû hôn nhôø chuoãi caùc tuï ñieän maéc noái tieáp. Giaû söû nhaùnh maïch dc goàm n nguoàn coù ñoä lôùn baèng nhau maéc noái tieáp. Ñieän aùp pha – nguoàn dc coù theå ñaït ñöôïc (n+1) giaù trò khaùc nhau vaø töø ñoù boä nghòch löu ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp (n+1) baäc. Ví duï choïn möùc ñieän theá 0 ôû cuoái daõy nguoàn, caùc möùc ñieän aùp coù theå ñaït ñöôïc goàm (0,U,2U,.,nU). Ñieän aùp töø moät pha taûi (ví duï pha a) thoâng ñeán moät vò trí baát kyø treân maïch dc (ví duï M) nhôø caëp diode keïp taïi ñieåm ñoù (ví duï D1, D1’). Ñeå ñieän aùp pha- nguoàn dc ñaït ñöôïc möùc ñieän aùp neâu treân (ua0=U), taát caû caùc linh kieän bò “keïp” giöõa hai diode (D1, D1’) –goàm n linh kieän noái tieáp lieân tuïc keà nhau, phaûi ñöôïc kích ñoùng (ví duï S1, S5’,S4’,S3’,S2’), caùc linh kieän coøn laïi seõ bò khoùa theo qui taéc kích ñoái nghòch. Töông öùng vôùi 6 tröôøng hôïp kích ñoùng linh kieän “bò keïp” giöõa 6 caëp diode (hai caëp diode “keïp” ôû hai vò trí bieân laø tröôøng hôïp ñaëc bieät), ta thu ñöôïc 6 möùc ñieän aùp pha- nguoàn dc : 0,U,2U, ,5U. Vì coù 5-5
Ñieän töû coâng suaát 1 khaû naêng taïo ra 6 möùc ñieän aùp pha- nguoàn dc neân maïch nghòch löu treân hình H5.5a coøn goïi laø boä nghòch löu 6 baäc. Daïng maïch nghòch löu aùp ña baäc duøng caëp diode keïp caûi tieán daïng soùng ñieän aùp taûi vaø giaûm shock ñieän aùp treân linh kieän n laàn. Vôùi boä nghòch löu ba baäc, dv/dt treân linh kieän vaø taàn soá ñoùng ngaét giaûm ñi moät nöûa. Tuy nhieân vôùi n>3, möùc ñoä chòu gai aùp treân caùc diode seõ khaùc nhau. Ngoaøi ra, caân baèng ñieän aùp giöõa caùc nguoàn dc (aùp treân tuï) trôû neân khoù khaên, ñaëc bieät khi soá baäc lôùn. 5.2 PHAÂN TÍCH BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP 5.2.1. PHAÂN TÍCH ÑIEÄN AÙP BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP 3 PHA Giaû thieát taûi ba pha ñoái xöùng thoûa maõn heä thöùc: ut1 + ut2 + ut3 = 0 (5.1) Ta töôûng töôïng nguoàn aùp U ñöôïc phaân chia laøm hai nöûa baèng nhau vôùi ñieåm nuùt phaân theá O (moät caùch toång quaùt, ñieåm phaân theá 0 coù theå choïn ôû vò trí baát kyø treân maïch nguoàn DC). Goïi N laø ñieåm nuùt cuûa taûi ba pha daïng sao. Ñieän aùp pha taûi ut1,ut2,ut3. Ta coù: ut1= u10- uNO (5.2) ut2 = u20- uNO ut3 = u30-uNO Ñieän aùp u10, u20 , u30 ñöôïc goïi laø caùc ñieän aùp pha -taâm nguoàn cuûa caùc pha 1,2,3. Caùc ñieän aùp ut1, ut2, ut3; u10, u20, u30 vaø uNO coù chieàu döông qui öôùc veõ treân hình H5.4a Coäng caùc heä thöùc treân vaø ñeå yù raèng ut1+ut2+ut3=0, ta coù: 0 = u10 +u20 +u30 –3.uNO (5.3) uu++u Töø ñoù: u = 10 20 30 (5.4) NO 3 Thay uNO vaøo bieåu thöùc tính ñieän aùp moãi pha taûi, ta coù: 2u − u − u u = 10 20 30 t1 3 2u − u − u u = 20 30 10 (5.5) t 2 3 2u − u − u u = 30 10 20 t3 3 Ñieän aùp daây treân taûi: ut12 =u10 - u20 ut23 = u20 - u30 (5.6) ut31 = u30 -u10 * Heä quaû: Quaù trình ñieän aùp ( vaø do ñoù quaù trình doøng ñieän) ngoõ ra cuûa boä nghòch löu aùp ba pha seõ ñöôïc xaùc ñònh khi ta xaùc ñònh ñöôïc caùc ñieän aùp trung gian u10, u20, u30. * Xaùc ñònh ñieän aùp pha - taâm nguoàn cho boä nghòch löu aùp. Caëp coâng taéc cuøng pha: goàm hai coâng taéc cuøng maéc chung vaøo moät pha taûi, ví duï (S1S4), (S3,S6) vaø (S5,S2) laø caùc caëp coâng taéc cuøng pha. Qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch: caëp coâng taéc cuøng pha ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch neáu nhö hai coâng taéc trong caëp luoân ôû traïng thaùi moät ñöôïc kích ñoùng vaø moät ñöôïc kích ngaét. Traïng thaùi caû hai cuøng kích ñoùng (traïng thaùi ngaén maïch ñieän aùp nguoàn ) hoaëc cuøng kích ngaét khoâng ñöôïc pheùp. 5-6
Ñieän töû coâng suaát 1 Neáu bieåu dieãn traïng thaùi ñöôïc kích cuûa linh kieän baèng giaù trò 1 vaø traïng thaùi khoùa kích baèng 0, ta coù theå vieát phöông trình traïng thaùi kích cuûa caùc linh kieän trong maïch nghòch löu aùp 3 pha nhö sau: S1 + S 4 = 1 ; S3 + S6 = 1 ; S5 + S 2 = 1 (5.7) * Qui taéc: Giaû thieát boä nghòch löu aùp ba pha coù caáu taïo maïch vaø chieàu ñieän theá cuûa caùc phaàn töû trong maïch cho nhö hình veõ H5.4. Giaû thieát caùc coâng taéc cuøng pha ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch vaø giaû thieát doøng ñieän cuûa caùc pha taûi coù khaû naêng ñoåi daáu. U Ñieän aùp pha taûi ñeán taâm nguoàn cuûa moät pha nguoàn naøo ñoù coù giaù trò + neáu coâng taéc leû cuûa 2 U pha ñöôïc kích ñoùng vaø - neáu coâng taéc chaün ñöôïc kích khoâng phuï thuoäc traïng thaùi doøng 2 ñieän. * Heä quaû: 1/- Ñieän aùp treân taûi ñöôïc xaùc ñònh hoaøn toaøn neáu ta bieát ñöôïc giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñieän aùp nguoàn. Do ñoù, ta coù theå ñieàu khieån ñieän aùp ngoõû ra cuûa boä nghòch löu aùp baèng caùch ñieàu khieån giaûn ñoà xung kích ñoùng caùc coâng taéc. 2/- Neáu caùc caëp coâng taéc cuøng pha khoâng ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch, daïng ñieän aùp taûi seõ thay ñoåi phuï thuoäc vaøo traïng thaùi doøng ñieän taûi (vaø tham soá taûi ). Ñaây laø tröôøng hôïp kích ñoùng do yù muoán ñoái vôùi taûi daïng coäng höôûng. Doøng ñieän coù theå ôû traïng thaùi lieân tuïc hoaëc giaùn ñoaïn. Ta caàn chuù yù raèng, moät coâng taéc ñöôïc kích ñoùng khoâng coù nghóa laø noù seõ daãn ñieän. Phuï thuoäc vaøo chieàu doøng ñieän daãn qua taûi coù theå xaûy ra tröôøng hôïp coâng taéc kích ñoùng khoâng daãn ñieän maø doøng ñieän laïi daãn qua diode maéc ñoái song vôùi coâng taéc ñöôïc kích ñoùng. 3/- Daïng doøng ñieän ñöôïc xaùc ñònh döïa treân phöông trình maïch taûi. Ví duï ñoái vôùi taûi ñoái xöùng ba pha goàm RL maéc noái tieáp, ta coù phöông trình doøng ñieän ba pha taûi it1, it2, it3. di u = R.i + L t1 t1 t1 dt di u = R.i + L t 2 (5.8) t 2 t 2 dt di u = R.i + L t3 t3 t3 dt Thôøi gian cheát (dead- time): laø khoûang thôøi gian caàn thieát aùp ñaët trong giaûn ñoà ñoùng ngaét caëp linh kieän cuøng pha taûi, trong khoaûng thôøi gian naøy hai coâng taéc cuøng pha taûi seõ bò khoùa kích (ví duï S1,S4). Thôøi gian cheát baét ñaàu quaù trình chuyeån maïch cuûa hai coâng taéc cuøng pha taûi ñeå traùnh xaûy ra hieän töôïng ngaén maïch nguoàn. Do thôøi gian cheát nhoû khoâng ñaùng keå, trong quaù trình phaân tích hoaït ñoäng maïch, ta thöôøng giaû thieát boû qua giai ñoaïn naøy. 5.2.1 PHAÂN TÍCH BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP MOÄT PHA Ta coù theå phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu töông töï nhö boä nghòch löu aùp ba pha. Hai caëp coâng taéc (S1,S4) vaø (S2,S3) töông öùng vôùi heä thoáng hai pha taûi ñoái xöùng töôûng töôïng (hình H5.6). ut u10 − u 20 ut1 = = 2 2 (5.9) u u − u u = − t = 20 10 t 2 2 2 5-7
Ñieän töû coâng suaát 1 Roõ raøng : ut =ut1/2=-ut2/2=u10 - u20 (5.10) Neáu caùc coâng taéc ñöôïc kích theo qui taéc ñoái nghòch, ta coù theå xaùc ñònh daïng aùp treân taûi döïa treân giaûn ñoà kích coâng taéc vaø ñieän aùp nguoàn. U u10 = + neáu kích S1 ngaét S4 2 U u10= − neáu kích S4, ngaét S1 2 U u20 = + neáu kích S3, ngaét S2 (5.11) 2 U = - neáu kích S2, ngaét S3 2 Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng nöûa caàu: ñieän aùp baèng vôùi ñieän aùp pha taûi - taâm nguoàn, baøi toaùn trôû neân ñôn giaûn. Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng caàu: Quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän ñöôïc veõ treân hình (H5.8) Xeùt quaù trình caùc ñaïi löôïng trong moät chu kyø hoaït ñoäng ôû cheá ñoä xaùc laäp. Giaû thieát raèng taïi thôøi ñieåm t=0, thöïc hieän ñoùng S1 vaø S2, ngaét S3 vaø S4. Ñieän aùp taûi baèng U, doøng ñieän taûi chaïy qua maïch (U-S1-S2) taêng leân theo phöông trình: 0 ≤ t < T / 2 ut = U (5.12) di U = R.i + L t t t dt Nghieäm doøng ñieän coù daïng: t U − i = + A.e τ (5.13) t R A laø haèng soá, τ =L/R laø haèng soá thôøi gian. Taïi thôøi ñieåm t=T/2, thöïc hieän ngaét S1,S2 vaø ñoùng S3,S4. Ñieän aùp xuaát hieän treân taûi baèng –U, doøng ñieän qua maïch (U,RL,S3,S4) giaûm theo phöông trình: T / 2 ≤ t < T ut = −U (5.14) di U = R.i + L t t t dt t −T U − 2 vôùi nghieäm coù daïng: i = − + B.e τ (5.15) t R ÔÛ traïng thaùi xaùc laäp, doøng ñieän bieán ñoåi theo daïng xoay chieàu, tuaàn hoaøn. Caùc haèng soá A,B coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän doøng ñieän taûi taïi caùc thôøi ñieåm t=0, t=T/2 vaø t=T. 5-8
Ñieän töû coâng suaát 1 Luùc ñoù, taïi thôøi ñieåm t=0: U U + A.e0 = I ⇒ A = I − (5.16) R min min R Taïi thôøi ñieåm t=T/2: T T − − U 2τ U ⎛ U ⎞ 2τ + A.e = Imax ⇒ + ⎜ Imin − ⎟.e = Imax (5.17) R R ⎝ R ⎠ U U − + B.e0 = I ⇒ B = + I (5.18) R max R max Taïi thôøi ñieåm t=T: T U − 2 − + B.e τ = I (5.19) R min Nhö vaäy, quaù trình doøng taûi trong moät chu kyø hoaït ñoäng seõ coù theå bieåu dieãn nhö sau: t ⎧ − U ⎛ U ⎞ 2τ T ⎪ + ⎜ Imin − ⎟.e 0 ≤ t < ⎪ R ⎝ R ⎠ 2 it = ⎨ t −T (5.20) 2 ⎪ U ⎛ U ⎞ − − + I + .e 2τ T ≤ t < T ⎪ ⎜ max ⎟ 2 ⎩ R ⎝ R ⎠ Giaù trò Imin vaø Imax coù theå xaùc ñònh töø quaù trình ñoái xöùng cuûa hai nöûa chu kyø ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi, töø ñoù suy ra raèng Imax=-Imin. Aùp duïng quan heä treân vaøo caùc heä thöùc tính I, ta thu ñöôïc: T ⎡ − ⎤ U ⎢1 − e 2τ ⎥ I = −I = max min ⎢ T ⎥ (5.21) R ⎢ − ⎥ ⎣1 + e 2τ ⎦ Coâng suaát taûi: 2 Coâng suaát tieâu thuï treân taûi R-L coù theå xaùc ñònh theo heä thöùc R.It vôùi It laø trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi ñöôïc tính theo bieåu thöùc: T 2 T 2 t ⎡ − ⎤ 1 2 2 U ⎛ U ⎞ τ It = it (t).dt = ⎢ + ⎜ Imin − ⎟.e ⎥ .dt (5.22) T ∫ T ∫ ⎢ R ⎝ R ⎠ ⎥ 0 0 ⎣ ⎦ 5-9
Ñieän töû coâng suaát 1 Coâng suaát taûi coù theå xaùc ñònh theo trò trung bình doøng qua nguoàn dc Is neáu ta boû qua toån hao cuûa linh kieän boä nghòch löu: P=U.Is T 2 t ⎡ − ⎤ 1 U ⎛ U ⎞ τ Is = ⎢ + ⎜ Imin − ⎟.e ⎥.dt (5.23) T ∫ ⎢ R ⎝ R ⎠ ⎥ 0 ⎣ ⎦ Phaân tích soùng haøi: Quaù trình ñieän aùp taûi qua pheùp phaân tích Fourier coù daïng: ∞ 4.U vt (t) = ∑ .sin(n.ω.t) (5.24) n=1,3,5 nπ Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc leû. Ñoä meùo daïng ñieän aùp ñöôïc tính theo heä thöùc sau: ∞ 2 ∑Ut( n) 2 2 n=2 Ut − Ut(1) THDU = = (5.25) Ut(1) Ut(1) Deã daøng suy ra raèng: 2 ⎛ 4 ⎞ 2 ⎜ ⎟ 2 2 U − ⎜ U ⎟ Ut − Ut(1) ⎝ π 2 ⎠ THD == = = 0,483 = 48,3% ; U =U (5.26) U 4 t Ut(1) U π 2 Ñoä meùo daïng ñieän aùp cuûa boä nghòch löu caàu 1 pha khaù lôùn trong tröôøng hôïp aùp ra daïng vuoâng neân coù taùc duïng khoâng toát. Ñieàu naøy giaûi thích vì sao loaïi ñieän aùp naøy khoâng ñöôïc söû duïng phoå bieán trong thöïc tieãn. Ñoä meùo daïng doøng ñieän phuï thuoäc vaøo taûi vaø xaùc ñònh theo heä thöùc: ∞ 2 ∑It( n) 2 2 n=2 It − It(1) THDI = = (5.27) It(1) It(1) 5.2.2 PHAÂN TÍCH ÑIEÄN AÙP BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC Xeùt boä nghòch löu aùp 6 baäc daïng chöùa caëp diode keïp (NPC) treân hình veõ H5.5a. Goïi U laø ñoä lôùn ñieän aùp treân moãi tuï rieâng leû. Phuï thuoäc ñoä lôùn ñieän aùp pha – nguoàn dc caàn thieát laäp, caùc linh kieän bò keïp giöõa caëp diode noái ñeán moät ñieän theá treân maïch dc caàn thieát laäp seõ ôû traïng thaùi kích. Ñieän aùp pha-taâm nguoàn dc (phase -to- pole voltage), tính töø ñieåm ñaáu daây cuûa pha taûi ñeán moät ñieän theá treân maïch dc, trong tröôøng hôïp treân hình veõ laø ñieåm 0, coù theå ñaït caùc giaù trò cho trong baûng B5.1 sau ñaây: Baûng B5.1 Vout=Vx0 Sx5 Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 S’x5 S’x4 S’x3 S’x2 S’x1 Vx0=5U 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 Vx0=4U 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Vx0=3U 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Vx0=2U 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Vx0=U 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Vx0=0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Vôùi x=1,2,3. 5-10
Ñieän töû coâng suaát 1 Traïng thaùi ñoùng ngaét cuûa caùc khoùa baùn daãn treân moät nhaùnh taûi cuûa caùc pha a,b,c thoûa maõn ñieàu kieän kích ñoái nghòch: S1j+S’1j=1 ; S2j+S’2j=1 ; S3j+S’3j=1 ; j=1,2,3,4,5 (5.28) Ñieän aùp pha taûi trong tröôøng hôïp 3 pha taûi ñoái xöùng ñaáu daïng Y coù theå thieát laäp töông töï nhö tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp hai baäc: 2u − u − u 2u − u − u 2u − u − u u = 10 20 30 ; u = 20 30 10 ; u = 30 10 20 (5.29) t1 3 t 2 3 t3 3 Trong tröôøng hôïp 3 pha taûi daïng tam giaùc, ñieän aùp pha taûi baèng ñieän aùp daây do boä nghòch löu cung caáp: ut12 =u10 - u20; ut23 = u20 - u30; ut31 = u30 - u10 (5.30) 5-11
Ñieän töû coâng suaát 1 5.3 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP Caùc boä nghòch löu aùp thöôøng ñieàu khieån döïa theo kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung - PWM (Pulse Width Modulation) vaø qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch. Qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch ñaûm baûo daïng aùp taûi ñöôïc ñieàu khieån tuaân theo giaûn ñoà kích ñoùng coâng taéc vaø kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung coù taùc duïng haïn cheá toái ña caùc aûnh höôûng baát lôïi cuûa soùng haøi baäc cao xuaát hieän ôû phía taûi. Phuï thuoäc vaøo phöông phaùp thieát laäp giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc trong boä nghòch löu aùp, ta coù theå phaân bieät caùc daïng ñieàu cheá ñoä roäng xung khaùc nhau. Moät soá chæ tieâu ñaùnh giaù kyõ thuaät PWM cuûa boä nghòch löu. Chæ soá ñieàu cheá (Modulation index) m: ñöôc ñònh nghóa nhö tæ soá giöõa bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn taïo neân bôûi phöông phaùp ñieàu khieån vaø bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn ñaït ñöôïc trong phöông phaùp ñieàu khieån 6 böôùc. u u m = (1)m = (1)m (5.31) u 2 (1)m−six _ step V π d Trò hieäu duïng caùc thaønh phaàn phaàn soùng haøi baäc cao doøng ñieän: T 1 2 I = i(t ) − i (t ) .dt (5.32) hRMS ∫ [1 ] T 0 Ñaïi löôïng IhRMS phuï thuoäc khoâng nhöõng vaøo phöông phaùp PWM maø coøn vaøo thoâng soá taûi. Ñeå coù theå ñaùnh giaù chaát löôïng PWM khoâng phuï thuoäc vaøo taûi, ta coù theå söû duïng ñaïi löôïng ñoä meùo daïng doøng ñieän nhö sau: ∞ IhRMS 1 2 = ∑In (5.33) I1 I1 n=2 Giaû söû taûi xoay chieàu goàm söùc ñieän ñoäng caûm öùng vaø caûm khaùng taûn maéc noái tieáp, ñoä meùo daïng doøng ñieän coù theå vieát laïi döôùi daïng: 2 2 I 1 ∞ ω .L ∞ ⎛ U ⎞ 1 ∞ ⎛U ⎞ hRMS 2 1 σ ⎜ n ⎟ n = ∑In = ∑ ⎜ ⎟ = ∑ ⎜ ⎟ (5.34) I1 I1 n=2 U1 n=2 ⎝ n.ω1 .Lσ ⎠ U1 n=2 ⎝ n ⎠ Keát quaû ñaït ñöôïc khoâng phuï thuoäc vaøo tham soá cuûa taûi. Khi söû duïng phöông phaùp ñieàu khieån 6 böôùc, ñoä meùo daïng doøng ñieän coù theå xaùc ñònh baèng giaù trò sau: I _ hRMS sixstep = 0,0464 (5.35) I1 Ñeå so saùnh caùc phöông phaùp PWM, coù theå söû duïng ñoä meùo daïng chuaån hoùa theo phöông phaùp 6 böôùc, luùc ñoù heä soá meùo daïng doøng ñieän qui chuaån cho bôûi heä thöùc: I d = hRMS (5.36) IhRMS _ Sixstep Vôùi phöông phaùp ñieàu cheá 6 böôùc, heä soá meùo daïng doøng ñieän baèng 1. Neáu söû duïng phöông phaùp ñieàu cheá vector khoâng gian, heä soá meùo daïng coù theå tính theo tích phaân cuûa tích voâ höôùng vector sau ñaây: 5-11
Ñieän töû coâng suaát 1 1 T r r r r I = i (t ) − i (t ) .i (t ) − i (t ) * .dt (5.37) hRMS ∫ []1 [1 ] T 0 Töø ñoù, aùp duïng coâng thöùc tính heä soá meùo daïng d. Ñeå ñaùnh giaù aûnh höôûng töøng soùng haøi trong phöông phaùp PWM, ta coù theå söû duïng tham soá phoå töøng soùng haøi doøng ñieän. Neáu söû duïng phöông phaùp ñieàu cheá ñoàng boä vôùi taàn soá kích ñoùng linh kieän fs baèng soá nguyeân laàn (N) taàn soá soùng haøi cô baûn f1 (töùc fs=N.f1), heä soá soùng haøi baäc k qui chuaån, tính qui ñoåi theo phöông phaùp 6 böôùc vaø cho bôûi heä thöùc: IhRMS (k.f1 ) h(k.f1 ) = (5.38) IhRMS _ Sixstep Heä soá soùng haøi khoâng phuï thuoäc vaøo tham soá taûi. Heä soá meùo daïng bieåu dieãn qua caùc heä soá soùng haøi nhö sau: 2 d = ∑ h ( k.f1 ) (5.39) k ≠1 Neáu söû duïng kyõ thuaät PWM khoâng ñoàng boä, ta khoâng theå phaân tích Fourier phoå doøng ñieän theo caùc bieán taàn soá rôøi raïc khi maø soùng haøi doøng ñieän xuaát hieän theo bieán taàn soá lieân tuïc. Tröôøng hôïp naøy, ta coù theå söû duïng khaùi nieäm phoå maät ñoä doøng ñieän theo heä thöùc: ∞ d = h 2 (f ).df (5.40) ∫ d 0,f ≠f1 Taàn soá ñoùng ngaét vaø coâng suaát toån hao do ñoùng ngaét: Coâng suaát toån hao xuaát hieän treân linh kieän bao goàm hai thaønh phaàn: toån hao coâng suaát khi linh kieän ôû traïng thaùi daãn ñieän Pon vaø toån hao coâng suaát ñoäng Pdyn. Toån hao coâng suaát Pdyn taêng leân khi taàn soá ñoùng ngaét cuûa linh kieän taêng leân. Taàn soá ñoùng ngaét cuûa linh kieän khoâng theå taêng leân tuøy yù vì nhöõng lyù do sau: - coâng suaát toån hao linh kieän taêng leân tæ leä vôùi taàn soá ñoùng ngaét - linh kieän coâng suaát lôùn thöôøng gaây ra coâng suaát toån hao ñoùng ngaét lôùn hôn. Do ñoù, taàn soá kích ñoùng cuûa noù phaûi giaûm cho phuø hôïp, ví duï caùc linh kieän GTO coâng suaát MW chæ coù theå ñoùng ngaét ôû taàn soá khoaûng 100Hz. - Caùc qui ñònh veà töông thích ñieän töø (Electromagnet Compatibility-EMC) qui ñònh khaù nghieâm ngaët ñoái vôùi caùc boä bieán ñoåi coâng suaát ñoùng ngaét vôùi taàn soá cao hôn 9kHz. 5.3.1 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN THEO BIEÂN ÑOÄ Phöông phaùp ñöôïc goïi taét laø phöông phaùp ñieàu bieân. Khaùc vôùi caùc phöông phaùp söû duïng kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) chæ caàn nguoàn aùp dc khoâng ñoåi, phöông phaùp ñieàu bieân ñoøi hoûi ñieän aùp nguoàn dc ñieàu khieån ñöôïc. Ñoä lôùn ñieän aùp ra ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch ñieàu khieån nguoàn ñieän aùp DC. Chaúng haïn söû duïng boä chænh löu coù ñieàu khieån hoaëc keát hôïp boä chænh löu khoâng ñieàu khieån vaø boä bieán ñoåi ñieän aùp DC. Boä nghòch löu aùp thöïc hieän chöùc naêng ñieàu khieån taàn soá ñieän aùp ra. Caùc coâng taéc trong caëp coâng taéc cuøng pha taûi ñöôïc kích ñoùng vôùi thôøi gian baèng nhau vaø baèng moät nöûa chu kyø aùp ra. Maïch ñieàu khieån kích ñoùng caùc coâng taéc trong boä nghòch löu aùp vì theá ñôn giaûn. Boä nghòch löu aùp ba pha ñieàu khieån theo bieân ñoä coøn ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp 6 böôùc ( six-step voltage inverter). Taàn soá aùp cô baûn baèng taàn soá ñoùng ngaét linh kieän. Caùc 5-12
Ñieän töû coâng suaát 1 thaønh phaàn soùng haøi boäi ba vaø baäc chaün khoâng xuaát hieän treân aùp daây cung caáp cho taûi. Coøn laïi caùc soùng haøi baäc (6k ± 1), k=1,2,3 . caàn khöû boû baèng caùc bieän phaùp loïc soùng haøi. Taûi ñaáu daïng sao: Daïng ñieän aùp pha taûi- ví duï ut1 (xem ñoà thò ut1 hình H5.7b) coù theå bieåu dieãn duôùi daïng: 2 1 1 u (t) = U.(sinωt + sin5ωt + sin7ωt + ) (5.41) t1 π 5 7 Bieân ñoä thaønh phaàn soùng haøi baäc n cuûa ñieän aùp pha taûi coù theå xaùc ñònh theo heä thöùc: 2U ⎡ nπ 2nπ ⎤ U(n) = ⎢2 + cos( ) − cos( )⎥ ; n=1,5,7,11,13, (5.42) 3nπ ⎣ 3 3 ⎦ 2 Vôùi n=1, bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn: U = U (5.43) t1(1)m π Trò hieäu duïng ñieän aùp pha coù ñoä lôùn: 1 π 2π 2 ⎧ ⎡ 3 2 3 2 π 2 ⎤⎫ ⎪ 1 ⎢ ⎛U ⎞ ⎛ 2U ⎞ ⎛U ⎞ ⎥⎪ 2 U t = ⎨ ⎢ ⎜ ⎟ .dx + ⎜ ⎟ .dx + ⎜ ⎟ .dx⎥⎬ = U (5.44) π ∫ ⎝ 3 ⎠ ∫ ⎝ 3 ⎠ ∫ ⎝ 3 ⎠ 3 ⎪ ⎢ 0 π 2π ⎥⎪ ⎩ ⎣ 3 3 ⎦⎭ Taûi ñaáu daïng tam giaùc: Ñieän aùp taûi ut12 coù theå bieåu dieãn döôùi daïng: 2 3 ⎡ π 1 π 1 π ⎤ ut12(t) = U.⎢sin(ωt + ) + sin(5ωt − ) + sin(7ωt + ) + ⎥ (5.45) π ⎣ 6 5 6 7 6 ⎦ Bieân ñoä thaønh phaàn soùng haøi baäc n ñieän aùp pha taûi: 5-13
Ñieän töû coâng suaát 1 4U nπ U = cos( ) (5.46) (n)−L nπ 6 2 3 Vôùi n=1, bieân ñoä thaønh phaàn haøi cô baûn ñieän aùp taûi: U = U (5.47) t12(1)m π Trò hieäu duïng ñieän aùp pha coù ñoä lôùn: 1 2π 2 ⎡ 3 ⎤ ⎢ 1 ⎥ 2 U = U 2.dx = .U (5.48) 12t ⎢π ∫ ⎥ 3 ⎢ 0 ⎥ ⎣ ⎦ Soùng haøi baäc cao xuaát hieän trong daïng ñieän aùp taûi khaù cao, do ñoù haïn cheá phaïm vi söû duïng cuûa phöông phaùp ñieàu bieân, nhaát laø ôû taàn soá thaáp. Neáu söû duïng thyristor keát hôïp vôùi boä chuyeån maïch laøm chöùc naêng coâng taéc trong boä nghòch löu aùp, vaø neáu boä chuyeån maïch laøm vieäc phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn nguoàn aùp moät chieàu, phöông phaùp ñieàu bieân roõ raøng khoâng phuø hôïp ñeå ñieàu khieån ñieän aùp taûi trong phaïm vi aùp nhoû. Ngoaïi tröø tröôøng hôïp ñieàu khieån theo bieân ñoä ñoøi hoûi nguoàn DC ñieàu khieån ñöôïc, caùc phöông phaùp khaùc döïa vaøo kyõ thuaät PWM söû duïng nguoàn ñieän aùp DC khoâng ñoåi. Trong tröôøng hôïp naøy, nguoàn DC coù theå taïo neân töø löôùi ñieän ac qua boä chænh löu khoâng ñieàu khieån vaø maïch loïc chöùa tuï hoaëc tröïc tieáp töø caùc nguoàn döï tröõ döôùi daïng pin, aquy. 5.3.2 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHEÁ ÑOÄ ROÄNG XUNG SIN (SIN PWM) Veà nguyeân lyù, phöông phaùp thöïc hieän döïa vaøo kyõ thuaät analog. Giaûn ñoà kích ñoùng coâng taéc boä nghòch löu döïa treân cô sôû so saùnh hai tín hieäu cô baûn: - soùng mang up (carrier signal) taàn soá cao - soùng ñieàu khieån ur- reference signal (hoaëc soùng ñieàu cheá- modulating signal) daïng sin. Ví 5-14
Ñieän töû coâng suaát 1 duï: coâng taéc leû ñöôïc kích ñoùng khi soùng ñieàu khieån lôùn hôn soùng mang (ur>up). Trong tröôøng hôïp ngöôïc laïi, coâng taéc chaün ñöôïc kích ñoùng. Soùng mang up coù theå ôû daïng tam giaùc. Taàn soá soùng mang caøng cao, löôïng soùng haøi baäc cao bò khöû bôùt caøng nhieàu. Tuy nhieân, taàn soá ñoùng ngaét cao laøm cho toån hao phaùt sinh do quaù trình ñoùng ngaét caùc coâng taéc taêng theo. Ngoaøi ra, caùc linh kieän ñoøi hoûi coù thôøi gian ñoùng ton, vaø ngaét toff nhaát ñònh. Caùc yeáu toá naøy laøm haïn cheá vieäc choïn taàn soá soùng mang. Soùng ñieàu khieån ur mang thoâng tin veà ñoä lôùn trò hieäu duïng vaø taàn soá soùng haøi cô baûn cuûa ñieän aùp ôû ngoõ ra. Trong tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp ba pha, ba soùng ñieàu khieån cuûa ba pha phaûi ñöôïc taïo leäch nhau veà pha 1/3 chu kyø cuûa noù. Trong tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp moät pha, töông öùng vôùi hai pha taûi töôûng töôïng ôû hình (H5.6), ta caàn taïo hai soùng ñieàu khieån leäch pha nhau 1/2 chu kyø (töùc chuùng ngöôïc pha nhau ). Ñeå ñôn giaûn maïch kích hôn nöõa, ta coù theå söû duïng moät soùng ñieàu khieån duy nhaát ñeå kích ñoùng, ví duï : caëp coâng taéc (S1S4) ñöôïc kích ñoùng theo quan heä giöõa soùng ñieàu khieån vaø soùng mang, coøn caëp (S3S2) ñöôïc kích ñoùng ngöôïc laïi vôùi chuùng. Luùc ñoù, hình thaønh traïng thaùi kích ñoùng (S1S2) hoaëc (S3S4). Goïi mf laø tæ soá ñieàu cheá taàn soá (Frequency modulation ratio) : fcarrier ftria m f = = (5.49) freference fsin e Vieäc taêng giaù trò mf seõ daãn ñeán vieäc taêng giaù trò taàn soá caùc soùng haøi xuaát hieän. Ñieåm baát lôïi cuûa vieäc taêng taàn soá soùng mang laø vaán ñeà toån hao do ñoùng ngaét lôùn. Töông töï, goïi ma laø tæ soá ñieàu cheá bieân ñoä (Amplitude modulation ratio) : U m−reference U m−sine ma = = (5.50) U m−carrier U m−tri Neáu ma ≤ 1(bieân ñoä soùng sin nhoû hôn bieân ñoä soùng mang) thì quan heä giöõa bieân ñoä thaønh phaàn cô baûn cuûa aùp ra vaø aùp ñieàu khieån laø tuyeán tính. Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp moät pha:Ut(1)m = ma .U (5.51) U Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp ba pha, bieân ñoä aùp pha haøi cô baûn: U = m . (5.52) t(1)m a 2 Khi giaù trò ma>1, bieân ñoä tín hieäu ñieàu cheá lôùn hôn bieân ñoä soùng mang thì bieân ñoä haøi cô baûn ñieän aùp ra taêng khoâng tuyeán tính theo bieán ma. Luùc naøy, baét ñaàu xuaát hieän löôïng soùng haøi baäc cao taêng daàn cho ñeán khi ñaït ôû möùc giôùi haïn cho bôûi phöông phaùp 6 böôùc. Tröôøng hôïp naøy coøn ñöôïc goïi laø quaù ñieàu cheá (overmodulation) hoaëc ñieàu cheá môû roäng. 5-15