Bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều được thực hiện như thế nào

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Quảng cáo

Bài giảng điện tử công suất

Chương 3
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU – XOAY CHIỀU
(Bộ biến đổi điện áp pha)
3.1. KHÁI NIỆM CHUNG
3.1.1. KHÁI NIỆM
Trong kỹ thuật điện có những trường hợp cần phải biến đổi một điện áp xoay chiều
giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị khác, điều chỉnh được. Để biến đổi
một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần số nhưng có giá trị khác thì phổ
biến nhất là dùng máy biến áp. Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, độ
bền cao và nếu điện áp nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin. Tuy
vậy máy biến áp cũng có nhược điểm là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra, nhất là
trong trường hợp công suất trung bình và lớn, điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng
máy biến áp trong một số trường hợp. Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi
rộng, đặc biệt là khi công suất trung bình và lớn thì người ta sử dụng một bộ biến đổi
(BBĐ) khác được gọi là BBĐ xoay chiều – xoay chiều hay BBĐ điện áp pha. BBĐ xoay
chiều – xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều
khiển. Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tính chất có điều khiển của các dụng cụ
bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều hình sin
làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn.
BBĐ xoay chiều – xoay chiều có ưu điểm là kết cấu gọn, hiệu suất cao, làm việc tin
cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với dải công suất khá rộng.
Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy kém hơn so với máy biến áp,
thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng và
áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện
áp ra không còn dạng hình sin nữa.
Các BBĐ xoay chiều – xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp như sau:
– Điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công suất nhỏ bằng
phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stator của động cơ.
– Khởi động các động cơ xoay chiều không đồng bộ rotor lòng sóc công suất trung
bình và lớn, đặc biệt là trong các hệ thống bơm.
– Là một bộ phận quan trọng của bộ nguồn một chiều điện áp cao có điều chỉnh, dùng
để cấp cho một số thiết bị: lò tần số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực chân không, các hệ
thống lọc bụi tĩnh điện.
3.1.2. PHÂN LOẠI BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – XOAY CHIỀU
Các BBĐ xoay chiều – xoay chiều có thể được phân loại theo số pha điện áp vào/ra,
theo loại dụng cụ được sử dụng.
Phân loại theo số pha: BBĐ một pha và ba pha.
149

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

Phân loại theo dụng cụ bán dẫn công suất được sử dụng: BBĐ sử dụng thyristor,
BBĐ sử dụng triac,
3.2. BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – XOAY CHIỀU MỘT PHA
3.2.1. CÁC SƠ ĐỒ BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – XOAY CHIỀU MỘT PHA
Trên các hình 3.1 là các sơ đồ mạch lực BBĐ xoay chiều – điện áp xoay chiều một
pha (BBĐ điện áp pha một pha). Hình 3.1a là sơ đồ dùng hai thyristor mắc song song
ngược, hình 3.1b là sơ đồ dùng hai đi ốt và hai thyristor, hình 3.1c là sơ đồ dùng triac, hình
3.1e là sơ đồ BBĐ xoay chiều – xoay chiều một pha không đối xứng dùng một thyristor và
một đi ốt.
T1

T1

ung

it

2 it

1
a

T2

T2

ut

b

Zt

ung

D2

D1 ut

Zt

it
c

T

ung

D1
ut

Zt
d

ung

D4

T

D3

D2

it
ut

Zt

T
it
e

ung

D

ut

Zt

Hình 3.1: Các sơ đồ (phần lực) bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều một pha
Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của BBĐ ta xét nguyên lý hoạt động của một sơ đồ (ví
dụ: sơ đồ hình 3.1a) trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Giả thiết điện áp nguồn như đồ thị hình 3.2a, đồ thị tín hiệu điều khiển của T1 và T2
như hình 3.2b và hình 3.2c.
Từ các đồ thị ung, uđkT1, uđkT2 có thể mô tả vắn tắt nguyên lý làm việc của sơ đồ như
sau: Từ t = 0 đến t =  ( được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển của BBĐ xoay
chiều – xoay chiều), điện áp nguồn ung dương đặt điện áp thuận lên T1 và ngược lên T2, do
T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên T1 chưa mở, như vậy cả hai van T1 và T2 đều khóa,
dòng quả tải bằng không (it = 0), điện áp trên tải cũng bằng không (ut = Rt.it = 0). Đến thời
điểm t = , xuất hiện tín hiệu điều khiển trên cực điều khiển của T1 (có uđkT1), T1 mở và
xuất hiện dòng điện tải (it = ung / Rt) và điện áp trên tải ut = ung (bỏ qua sụt áp trên T1 mở).
Đến t = , ung giảm về bằng không và bắt đầ chuyển sang nửa chu kỳ âm, nên it = 0 và có
150

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

xu hướng đổi chiều, do thyristor chỉ dẫn dòng theo một chiều nên T1 khóa lại, T2 chưa có
tín hiệu điều khiển nên chưa mở, tức là cả hai van T1, T2 đều khóa, dòng và áp trên tải đều
bằng không. Đến t =  + , van T2 có tín hiệu điều khiển và lúc này uT2 = ung > 0, dẫn
đến T2 mở, lại xuất hiện dòng qua tải và điện áp trên tải (it = ung / Rt, ut = ung). Đến t = 2,
điện áp nguồn lại bằng không và bắt đầu đổi sang nửa chu kỳ dương, có xu hướng chống
lại dòng qua T2 và đặt thuận lên T1, van T2 khóa lại, còn T1 vẫn khóa. Đến t = 2 + , T1
lại có tín hiệu điệu khiển, T1 lại mở và sơ đồ lạp lại trạng thái làm việc như từ t = . Đồ
thị điện áp và dòng điện trên tải được biểu diễn trên hình 3.2d (ut nét đậm, it nét mảnh).
ung

t

0

a)

1

2

2

3

uđkT1

t

0

b)
c)

1

uđkT2

2

3

0
ut

it
it

d)

2

ut

t

0

1

2

2

3

Hình 3.2: Đồ thị minh họa nguyên lý làm việc của sơ đồ hình 3.1a khi tải thuần trở

Từ đồ thị điện áp trên tải, có thể rút ra: Với việc điều khiển cho các van mở chậm
hơn thời điểm mở tự nhiên một góc điều khiển  làm cho điện áp trên tải bị mất đi một
phần trong mỗi nửa chu kỳ so với điện áp nguồn, kết quả là điện áp trên tải vẫn là điện áp
xoay chiều cùng tần số với điện áp nguồn nhưng dạng khác hình sin và có giá trị hiệu dụng
khác (nhỏ hơn) điện áp nguồn. Góc điều khiển  tăng thì giá trị hiệu dụng điện áp trên tải
giảm, giới hạn thay đổi của  là từ 00 đến 1800 tương ứng điện áp trên tải thay đổi từ Ung
đến không. Với việc điều chỉnh trơn được giá trị , cho phép điều chỉnh trơn được điện áp
đầu ra của BBĐ, kể cả khi BBĐ đầy tải. Mặt khác, từ đồ thị co thể thấy, điện áp trên tải
khác điện áp nguồn khi dòng qua tải gián đoạn (có các khoảng bằng không).
151

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

3.2.2. DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI CỦA BBĐ XOAY CHIỀU – XOAY
CHIỀU MỘT PHA
3.2.2.1. Biểu thức dòng tải tổng quát
Để nghiên cứu dòng và áp trên tải có thể sử dụng sơ đồ hình 3.1a (sơ đồ dùng hai
thyristor mắc song song ngược).
Từ nhận xét ở mục trước, điện áp trên tải là điện áp xoay chiều, điện áp trên tải chỉ
khác điện áp nguồn khi dòng tải gián đoạn, tức là tại thời điểm mở một van thì dòng tải
đang bằng không. Do những đặc điểm trên nên trong mọi chế độ, dòng áp trên tải có tính
đối xứng, vì vậy, chỉ cần xét dòng tải trong thời gian một nửa chu kỳ là đủ.
Để thiết lập biểu thức dòng tải, ta giả thiết:
– Sơ đồ BBĐ đang làm việc với một góc điều chỉnh (điều khiển) ;
– Mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm truyền xung điều khiển đến mở một van của
sơ đồ và van mở ngay, cụ thể, trong trường hợp này t = 0 là thời điểm mở T1;
– Sụt điện áp trên van khi mở bằng không.
Với các giả thiết trên, có thể thành lập được phương trình cân bằng điện áp sau:

R t i t  Lt

di t
U m sin(t  )
dt

(3.1)

trong đó: Um là biên độ điện áp nguồn hình sin;  là tần số góc của nguồn;  là góc điều
khiển bộ biến đổi; Rt và Lt là điện trở và điện cảm phụ tải.
Để giải phương trình vi phân (3.1), đặt:

it R tit
*
i

Im U m

L
t

Rt

Im

Um
Rt

(3.2)

trong đó i* là giá trị tương đối dòng phụ tải; Im là giá trị cực đại dòng tải khi Lt = 0, nó được
chọn làm đại lượng cơ bản của dòng điện;  là hằng số thời gian mạch tải. Thay (3.2) vào
(3.1) và biến đổi, nhận được:

di*
i
sin(t  )
dt
*

(3.3)

Trong mục trước đã có nhận xét: Nếu muốn điện áp trên tải khác điện áp nguồn thì
BBĐ phải làm việc ở chế độ dòng điện tải gián đoạn. Nếu dòng qua tải là liên tục thì hai
van trong sơ đồ sẽ luân phiên thay nhau dẫn dòngc, khi đó điện áp giữa hai điểm 1 và 2 của
sơ đồ hình 3.1a luôn luôn bằng không (vì luôn có một trong hai van dẫn dòng), do vậy điện
áp trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn. Như vậy loại trừ trường hợp điện áp ra trùng với
152

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

điện áp nguồn thì chế độ làm việc của BBĐ điện áp xoay chiều – xoay chiều là chế độ dòng
gián đoạn và điều kiện đầu của phương trình (3.3) là:

i*0  i*t 0  0

(3.4)

Giải phương trình (3.3) với điều kiện đầu bằng không, thu được:

i*

1
1  ()

2

[sin(t    arctg)  sin(  arctg).e  t /  ]

(3.5)

Đặt  = arctg,  là góc lệch pha của sóng hài bậc nhất dòng và áp trên tải. Chuyển
về đơn vị tuyệt đối, biểu thức dòng tải của BBĐ có dạng:

it

Um
R t 1  ()

2

[sin(t    )  sin(  ).e t /  ]

(3.6)

Đây là biểu thức tổng quát dòng qua phụ tải của BBĐ điện áp xoay chiều – xoay
chiều một pha với điều kiện: khi bắt đầu có xung điều khiển để mở một van thì dòng qua
tải bằng không.
3.2.2.2. Biểu thức dòng điện tải khi tải thuần trở
Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt  Lt thì   0 và  0, do vậy biểu thức dòng
tải có dạng đơn giản như sau:
it

Um
sin(t  )
Rt

(3.7)

3.2.2.3. Biểu thức dòng điện tải khi tải thuần cảm
Trong trường hợp phụ tải thuần cảm hoặc khi Rt  Lt, khi đó  /2 và  và
do vậy e-t/  1, thay các giá trị này vào biểu thức (3.6) sẽ được biểu thức dòng điện khi
tải thuần cảm:
it

Um
U

[sin(t+- )  sin(- )]  m [cos-cos(t+)]
Lt
2
2
Lt

(3.8)

Đồ thị ut và it được biểu diễn trên hình 3.3, trong đó: hình 3.3a là trường hợp phụ tải
thuần trở, hình 3.3b là trường hợp phụ tải điện trở – điện cảm, hình 3.3c là trường hợp phụ
tải thuần cảm. Nếu gọi khoảng thời gian dẫn dòng của một van trong một chu kỳ điện áp
nguồn qui ra góc độ điện là góc dẫn của van và ký hiệu là  thì  được biểu diễn như trên
đồ thị. Khi tải thuần trở  =   , khi tải thuần cảm thì  = 2(), còn trường hợp tải
điện trở – điện cảm (Rt-Lt) thì góc  nằm trong khoảng giới hạn bởi hai trường hợp trên.

153

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

Từ biểu thức (3.6)
và đồ thị hình 3.3b, thể
thấy, với phụ tải điện trởđiện cảm (Rt-Lt), tại thời
điểm điện áp nguồn ung
bằng không và bắt đầu
đổi dấu, van làm việc ở
giai đoạn trước chưa
khóa lại mà vẫn tiếp tục
dẫn dòng nhờ sức điện
động (s.đ.đ.) tự cảm
trong điện cảm phụ tải
Lt, do vậy mà góc dẫn
của van trong trường hợp
này lớn hơn khi tải thuần

ut

it

ut (nét đậm), it (nét mảnh)
1

a
>0

0

ut

như nhau. Khoảng thời
gian từ thời điểm điện áp
nguồn đổi dấu đến thời
điểm dòng qua van đang
làm việc giảm về bằng
không qui ra góc độ điện
là  (góc  được minh

2

it

2

1′

b

1

0
>
ut

t
2′ 2

it

trở nếu cùng làm việc với
một góc điều khiển

t
2

c

1
0
> /2

1′

2

2′

t
2

Hình 3.3: Đồ thị áp và dòng trên tải của BBĐ xoay
chiều – xoay chiều một pha: a) khi tải thuần trở, b)
khi tải điện trở – điện cảm, c) khi tải thuần cảm

họa như trên đồ thị). Giá trị góc  thay đổi khi tương quan giữa Rt và Lt thay đổi, tức là đặc
tính tải của BBĐ thay đổi, kéo theo sự thay đổi giá trị hiệu dụng điện áp ra của BBĐ khi
cùng một giá trị góc điều khiển .
Với một bộ tham số cố định của Rt và Lt, góc  sẽ tăng dần khi giảm giá trị góc điều
khiển . Khi    ( = ), góc  đạt giá trị cực đại và bằng , góc dẫn của van cũng đạt
giá trị cực đại  = max = , có nghĩa rằng mỗi van sẽ dẫn dòng một khoảng bằng một nửa
chu kỳ trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn, trong trường hợp này hai van luân phiên
thay nhau làm việc, điện áp trên tải lặp lại hoàn toàn điện áp nguồn (không bị cắt).
Phân tích sự hoạt động của sơ đồ khi tải điện trở – điện cảm với     0 có thể
thấy: khi phát tín hiệu điều khiển mở một van, khi đó dòng điện tải vẫn còn và đang khép
qua van kia (nhờ s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm mạch tải) nên van có xung vẫn chưa mở, nếu
độ dài của xung điều khiển đủ lớn (tx  ), đến thời điểm dòng tải giảm về bằng không và
có xu hướng đổi chiều thì van vẫn đủ điều khiện để mở, van sẽ mở, dòng tải đổi chiều,
trong trường hợp này điện áp trên tải và dòng điện qua tải hoàn toàn tương tự như trường
hợp tải  = , góc dẫn của van vẫn là  = max = . Như vậy, khi     0, điện áp và
154

Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện

Bài giảng điện tử công suất

dòng điện trên tải có dạng hình sin, các van của BBĐ lúc này đóng vai trò như một công
tắc không tiếp điểm mà không còn tác dụng điều chỉnh điện áp trên tải, điện áp tải hoàn
toàn bằng điện áp nguồn. Từ phân tích trên có thể suy ra: để điều khiển được điện áp trên
tải thì góc điều khiển của BBĐ phải thoả mãn điều kiện: 1800 >  > .
3.2.2.4. Điện áp trên phụ tải của BBĐ xoay chiều – xoay chiều
Giá trị tức thời của điện áp trên tải được xác định như sau: khi có một van nào đó
trong hai van dẫn dòng thì ut = ung, khi cả hai van đều khóa thì ut = 0. Vậy trong thời gian
một chu kỳ nguồn cung cấp (giả thiết bắt đầu tính từ lúc mở T1):
– Từ t = 0  t = :

T1 mở nên ut = ung.

– Từ t =   t = :

T1 và T2 đều khóa nên ut = 0.

– Từ t =   t = +:

T2 mở nên ut = ung.

– Từ t = +  t = 2: T1 và T2 đều khóa nên ut = 0.
Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, ký hiệu là Ut, được xác định theo biểu thức:

Ut

1
U m2 sin 2 (t  )d
Bạn đang xem chuyên mục Hỏi đáp
Thuộc website web giải đáp

Quảng cáo
Hỏi đáp

Leave a Reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

You may use these HTML tags and attributes:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>