Giáo trình Điện tử công suất 1 - Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Điện tữ công suất 1 CHƯƠNG BA BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra. Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng điều khiển được. Do đó, bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng giống như máy biến áp điều khiển vô cấp. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của các tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay), điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy sấy). Bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong các hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng. 3.1 - BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA Trường hợp tải thuần trở : (hình H3.1). Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin tsin.Uu m ω= mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc xoay chiều gồm hai thyristor mắc đối song V1 và V2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay thế chúng bằng một triac. Phân tích mạch (xem hình H3.2) Trong khoảng góc (0,α), dòng qua tải bị ngắt, ta có: it = 0 , ut= 0 Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì: uV1 = u – ut= u > 0 Tại thời điểm ứng với góc X = α, xung kích IG1 đưa vào cổng điều khiển của V1 trong điều kiện có áp khóa làm V1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u,V1 , R)- trạng thái V1. Các phương trình mô tả trạng thái V1 trong thời gian V1 dẫn ( α ≤ X < π ) uV1 = 0 =- uV2 iV1 = it; iV2 = 0 ut= - uV1 + u = u = Um sinX 3-1 Điện tữ công suất 1 ut= R.it Tại X = π, dòng qua V1 triệt tiêu. Lúc đo,ù dòng điện tải bằng không và ta có trạng thái 0. Các phương trình mô tả trạng thái 0: it= iV1 = iV2 = 0 uV1 = u - R.it= u uV2 = -u Điện áp đặt lên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương - điện áp khóa, nên việc kích vào cổng điều khiển của V2 trong khoảng (π + α < X < 2π ) sẽ làm V2 đóng. Các phương trình mô tả trạng thái V2: uV2 = 0; iV2 = -it uV1 = - uV2 = 0; iV1 = 0 ut= u = Um.sinX < 0 it= R u < 0 Tại vị trí X = 2π, dòng qua V2 triệt tiêu nên V2 bị ngắt. Mạch trở về trạng thái 0. Các hệ quả: Trị hiệu dụng của áp tải : 2 1 t 2 1 2 2 tt 2 2sin1.UU dx.u 2 1U ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ α+α−ππ= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π= ∫ π (3.1) 2 1 t 2 2sin1.UU ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π α+π α−= Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi ( 0, π), điện áp tải có trị hiệu dụng biến thiên trong khoảng ( 0, U). Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Uttheo góc điều khiển α được vẽ trên hình H3.3 Trị hiệu dụng dòng điện qua tải: R UI tt = (3.2) Hệ số công suất: 2 1 t t 2 t 2 2sin1 U U I.U R/U S PPF ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π α+π α−==== (3.3) Dòng điện trung bình qua SCR: )cos1( R2 Udx.xsin. R U 2 1I mmVAV α+π=π= ∫ π α (3.4) Trị hiệu dụng dòng điện qua SCR. Dễ dàng suy ra rằng: 2 II tVRMS = (3.5) * Trường hợp tải L: Ta phân biệt hai trường hợp góc điều khiển α: 3-2 Điện tữ công suất 1 a/- Góc điều khiển 2 πα > ( hình 3.4) Trạng thái 0 : Trong khoảng trước vị trí góc kích α dòng tải bị gián đoạn. Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái không có dòng điện: it =0 ut = L. 0dt di t = iV1 = iV2 =0 uV1 = - u2 = u > 0 Trạng thái V1 (α < X < 2π - α): Tại vị trí X = α, V1 được kích trong lúc có tác dụng của điện áp khóa nên đóng. Dòng điện dẫn khép kín qua mạch (u, V1, L). Trạng thái mạch điện được biểu diễn bởi hệ thức và phương trình sau: uV1 = 0 i V1 =it ut = u = Um.sinX ut = L dt di t Từ điều kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình dòng điện ta thu được nghiệm: ( ) ( Xcoscos. L )UXi mt −αω= (3.6) Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí X = 2π - α. Do iV1 = it nên tại vị trí vừa nêu trên, dòng qua V1 cũng bị ngắt. Trạng thái 0- khoảng (2π - α < X < π + α): Sau khi dòng qua V1 bị ngắt, mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình mô tả mạch điện: it = 0; ut =0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u < 0 Trạng thái V2 - khoảng (π + α < X < 3π - α): Tại vị trí X= α + π, xung kích đưa vào V2 trong lúc V2 chịu tác dụng điện áp khóa nên V2 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V2, L). Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V2: uV2 =0; iV2 = - it ut = u; ut = L dt di t Giải phương trình dòng điện và để ý rằng it ( π+α) = 0, ta được nghiệm dòng điện tải: ( ) ( )[ Xcoscos L ]UXi (3.7) mt −π+αω= Dòng qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 . Tại đây, V2 bị ngắt. Mạch trở về trạng thái 0 Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển παπ << 2 , ta có: 3-3 Điện tữ công suất 1 1/- Dòng qua tải bị gián đoạn. 2/- Trị hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải từ hình H3.4 ( ) 2 1 m 2 1 2 2 mt 2 2sin1UdxXsinU1U ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π α+π α−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ π= ∫ α−πα (3.8) 3/- Trị hiệu dụng dòng điện qua tải: ( ) 212212 2tt 2sin3cos21.12LUdx.i1I ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ απ+α+⎟⎠⎞⎜⎝⎛ πα−ω=⎟⎠⎞⎜⎝⎛ π= ∫ α−π α (3.9) Trong ứng dụng với tải L, thành phần hài cơ bản dòng điện có ý nghĩa quan trọng: )2sin.122( L. U)(I mm)1(L απ+απ−ω=α (3.10) Mạch họat động như một tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích: )sin.( . )( )( )( απαπ ω αα 21221 +− == L I V X mL m L (3.11) b/- Góc điều khiển 2 πα < Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng. Các linh kiện V1 và V2 lần lượt dẫn điện với khỏang dẫn của mỗi linh kiện bằng . Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích vào linh kiện từ vị trí π 2 πα = , dòng điện lệch pha so với điện áp một góc 2 πϕ = . Xung kích cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí góc α và kết thúc tại cuối nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều . Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0. V1 bị ngắt. Tại vị trí này trên V2 xuất hiện điện áp khóa. Do có xung kích tác dụng nên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lại. Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điểm 0 một cách liên tục . Hệ quả: Với tải L, khi 2 πα < , bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều. Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L được vẽ trên hình H3.3 Trường hợp tải RL (hình H3.5): Tương tự như trường hơp tải L, việc phân tích hoạt động mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển α. Giá trị phân biệt π 2 ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn góc ϕ trong trường hợp tải RL, ϕ = arctg(ωL/R). Trường hợp α > ϕ - dòng điện tải bị gián đoạn. chu kỳ hoạt động được chia làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau: Trạng thái 0: mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1 it = 0 ; ut = 0 3-4 Điện tữ công suất 1 iV1 = 0 ; iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u > 0 Trạng thái V1 : V1 được kích dẫn ut = u ; ut = R.it + L dt dit iV1 = it ; uV1 = - uV2 = 0 Trạng thái 0 : mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2 : it = 0 ; ut = 0 iV1 = 0 ; iV2 = 0 uV1 = - uV2 = u < 0 Trạng thái V2 : V2 được kích dẫn uV1 = - uV2 = 0 iV2 = - it ; ut = u ut = R.it + L dt dit Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng ( ) ( ) ( ) ( )22 X L R m 1Vt LRZ e.sinXsin Z Uii ω+= ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ϕ−α−ϕ−== α−ω − (3.12) Dòng điện qua tải bị gián đoạn Trường hợp α< ϕ - dòng tải liên tục. Điện áp tải không điều khiển được. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái luôn đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trịï hiệu dụng bằng U. Xung kích cho linh kiện được cho dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều. Đặc tính Ut(α) –xem hình H3.5: phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữa đặc tính tải thuần điện trở và tải thuần cảm L. Tính chất tương tự khi họat động với các tải R,L,RL được trình bày ngắn gọn trong bảng so sánh B3.1. Bảng B3.1 Quan hệ tổng quát R L RL Tính chất R Larctan ω=ϕ 0=ϕ 2 π=ϕ R Larctan ω=ϕ ϕ …Góc đặc trưng của tải ϕ>α 0>α 2 π>α R Larctan ω>α Dòng tải gián đọan ϕ<α ______ 2 π<α R Larctan ω<α Dòng tải liên tục 3-5 Điện tữ công suất 1 3.2 - BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ (xem hình H3.6) có cấu tạo gồm ba công tắc bán dẫn đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. Khi công suất tải nhỏ, các cặp công tắc dùng thyristor có thể được thay thế bằng triac. Phân tích hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, ngay cả cho trường hợp tải thuần trở, rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trong mạch rất khó khăn. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc vào độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải (đối với tải không thuầàn trở). Ngày nay, việc phân tích được thực hiện nhờ lập trình mô phỏng trên máy tính. Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình bộ biến đổi xoay chiều phụ thuộc vào góc điều khiển và ứng với các tải R, RL được vẽ minh họa trên các hình H3.7 cho tải R và H3.8 cho tải RL nối tiếp. Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ được vẽ trên hình H3.10. Với tải R, phạm vi điều khiển góc kích nằm trong khoảng ( 65,0 π ); đối với tải L, phạm vi điều khiển của góc kích nằm trong giới hạn ( 65,2 ππ ). Đối với tải RL, phạm vi điều khiển góc kích là (arctan RLω , 65 π ). Xung kích: để đảm bảo quá trình kích dẫn thyristor, xung kích được thực hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đền khi vượt khỏi nửa chu kỳ tương ứng một góc 6π . 3-6 Điện tữ công suất 1 3-7 Điện tữ công suất 1 3.3 - CÔNG TẮC XOAY CHIỀU Công tắc xoay chiều dùng để đóng vào hoặc ngắt nguồn điện áp xoay chiều ra khỏi tải xoay chiều. So với công tắc cơ khí sử dụng tiếp điểm, công tắc bán dẫn hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh hơn, công suất điều khiển nhỏ; hiện tượng phóng tia lửa điện khi ngắt dòng điện tải không xảy ra. Tuy nhiên, do công tắc xoay chiều có cấu tạo gồm các linh kiện bán dẫn, độ sụt áp trên linh kiện tồn tại khi công tắc đóng (khoảng vài volt) tạo nên tổn hao đáng kể khi dòng tải lớn. Do đó, công tắc bán dẫn cần được làm mát. Ở chế độ ngắt dòng điện, trở kháng lúc ngắt của linh kiện tồn tại với giá trị hữu hạn, vẫn còn dòng điện rò đi qua linh kiện bán dẫn. Các công tắc xoay chiều bán dẫn được sử dụng để khởi động cũng như đảo chiều động cơ không đồng bộ; đóng ngắt tụ bù công suất phản kháng cho lưới điện; đóng ngắt thay đổi mức điện áp xoay chiều cung cấp cho tải ; đóng ngắt chuyển đổi hệ thống nguồn trong các hệ thống nguồn dự trữ UPS. Cấu tạo công tắc xoay chiều: Công tắc xoay chiều tồn tại ở dạng một pha, ba pha. Dòng qua mỗi pha tải được đóng ngắt bởi một công tắc pha. Mỗi công tắc pha gồm hai thyristor mắc đối song hoặc một triac. Phân tích hoạt động của mạch khi thực hiện đóng và ngắt công tắc bán dẫn có thể giải thích minh họa qua công tắc một pha với tải RL (hình H3.10). Sơ đồ mạch công suất giống như mạch trên hình H3.1. Đóng công tắc : Tại vị trí góc X = α , ta thực hiện đóng công tắc bằng cách đưa xung kích liên tục ( ví dụ dưới dạng chuỗi xung iG=1) vào cổng điều khiển của tất cả các thyristor V1,V2. Một trong hai thyristor mắc đối song ở trạng thái khóa tại vị trí kích đóng sẽ đóng, ví dụ V1. 3-8 Điện tữ công suất 1 Dòng điện qua V1 sẽ có độ lớn thay đổi theo phương trình dòng điện sau: XsinU dt di.Li.Ru mttt =+= (3.13) Điều kiện ban đầu: it(α) =0 Phương trình có nghiệm: ( ) ( ) ( )⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ϕ−α−ϕ−= α−ω− XL R m t e.sinXsinZ Ui ( )22 L.RZ ω+= (3.14) Dòng điện qua tải thay đổi liên tục đi đi qua giá trị 0. Do xung kích đóng được đưa đến các thyristor liên tục nên có thể xem công tắc xoay chiều là dạng đặc biệt của bộ biến đổi điện áp xoay chiều với góc kích bằng 0. Do đó, dòng điện qua tải liên tục. Các thyristor V1, V2 tuần tự thay nhau dẫn điện. Sau một thời gian đủ lớn, thành phần quá độ của dòng điện qua tải triệt tiêu. Mạch đạt trạng thái xác lập. Dòng điện lệch pha so với điện áp một góc ϕ: R Larctg .ωϕ = (xem hình H3.10) Ngắt công tắc: thực hiện bằng cách ngắt ( khóa ) đồng thời xung kích của tất cả các thyristor V1 , V2. Tại vị trí ngắt xung kích, nếu dòng tải dẫn qua thyristor, ví dụ V1 có độ lớn khác không, V1 sẽ tiếp tục dẫn điện đến khi dòng điện qua nó, đồng thời qua tải triệt tiêu. Chỉ 3-9 Điện tữ công suất 1 khi đóù, dòng điện bị ngắt bởi công tắc. Từ quá trình phân tích trên, ta thấy việc ngắt dòng điện qua tải bằng công tắc bán dẫn diễn ra thuận lợi, không có quá điện áp xuất hiện ngay cả trường hợp tải mang tính cảm kháng. Đáp ứng của dòng điện sau khi thực hiện khóa xung kích có thể bị trễ tối đa bằng nửa chu kỳ điện áp nguồn. Công tắc xoay chiều ba pha có cấu tạo mạch công suất giống như bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha. Việc thực hiện đóng và ngắt công tắc dẫn đến quá trình điện áp và dòng điện trên từng pha tải được vẽ trên hình H3.11. Từ đó, ta thấy dòng điện qua từng pha lần lượt triệt tiêu khi giảm về zero tại các thời điểm khác nhau. Điện áp xuất hiện trên linh kiện bị tắt tăng vọt đến giá trị của điện áp dây (xem hình H3.11b). Để giảm bớt số linh kiện bán dẫn, một số cấu hình công tắc tiết kiệm sử dụng diode thay cho thyristor ở một số vị trí. Để giảm bớt công suất tổn hao trên linh kiện bán dẫn khi công tắc ở trạng thái đóng, đồng thời để ngắt hẳn dòng điện khi công tắc ở chế độ ngắt, người ta thường sử dụng kết hợp công tắc bán dẫn với công tắc tiếp điểm. Trình tự đóng ngắt các công tắc cơ khí K1,K2 và khóa bán dẫn S được vẽ minh họa trên giản đồ đóng ngắt trên hình H3.13. 3-10