Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
Chöông 3 ÑiEÀU KHIEÅN COÂNG SUAÁT XOAY CHIEÀU
III.1 THYRISTOR LAØ PHAÀN TÖÛ ÑOÙNG NGAÉT MAÏCH ÑIEÄN AC:
Thí nghieäm: Laäp maïch ñieän nhö hình 3.1.1
Khi cung caáp doøng cöïc coång ñuû lôùn, TRIAC seõ daãn ñieän (ON). Vôùi taûi R, doøng qua taûi
cuøng daïng vôùi aùp. Khi aùp nguoàn qua zero ôû cuoái baùn kyø, TRIAC seõ taét neáu doøng qua cöïc coång G
khoâng coøn. Treân hình 3.1.2.a, Khoaûng TRIAC ON ñöôïc toâ ñaäm, khoaûng khoâng ñöôïc toâ töông öùng
vôùi TRIAC khoâng daãn ñieän (OF`) khi doøng cöïc coång bò ngaét.
Vaäy TRIAC laø phaàn töû coù theå ñoùng ngaét ôû ñieän AC, noù ON khi ñöôïc kích vaø OFF khi maát
doøng cöïc G. Ñeå yù TRIAC khoâng ngaét khi maát doøng kích cho ñeán khi doøng qua noù veà khoâng (vôùi
taûi R laø ôû cuoái baùn kyø). Ñieàu naøy cuõng seõ khoâng xaûy ra khi nguoàn laø moät chieàu, doøng qua thyristor
khoâng theå veà khoâng.
Khi thay TRIAC baèng SCR, ta coù cuøng keát quaû nhöng SCR chæ daãn ñieän baùn kyø.
T1 T2
io
T
v R
G
v
Ñieàu
khieån
Hình 3.1.2: Daïng aùp ra ñieàu khieån ON – OFF (a),
Hình 3.1.1: TRIAC laøm vieäc vôùi nguoàn AC taûi coù ñoùng ngaét luùc aùp qua zero (b)
R
Nhaän xeùt:
- Thyristor coù theå ñoùng ngaét maïch ñieän xoay chieàu, noù ñoùng maïch khi ñöôïc phaân cöïc thuaän
vaø coù doøng cöïc coång ñuû lôùn, töï taét khi aùp löôùi ñaûo chieàu vaø phaûi kích trôû laïi ôû moãi nöûa chu kyø.
Quaù trình ñoùng ngaét thyristor laøm vieäc vôùi nguoàn hình sin coøn ñöôïc goïi laø chuyeån maïch
löôùi ( line commutation ).
- Ñieàu khieån ON – OFF coøn goïi laø ñieàu khieån toaøn chu kyø(integral cycle control): Ngaét
ñieän (thyristor) coù hai traïng thaùi:
ON: Thyristor coù doøng cöïc coång ñuû lôùn lieân tuïc: ngaét ñieän ñoùng maïch, aùp treân taûi baèng aùp
nguoàn.
OFF: Thyristor khoâng coù doøng cöïc coång: NÑ töø traïng thaùi daãn => khoùa khi aùp löôùi qua
zero, vaø aùp treân taûi => khoâng.
- Ñieàu khieån ON-OFF coù theå ñieàu
khieån doøng naêng löôïng cung caáp nhöng
khoâng theå thay ñoåi ñieän aùp cung caáp cho taûi.
Ñeå ñieàu khieån aùp ra, ta coù theå thay
ñoåi thôøi ñieåm (pha) kích SCR trong moãi chu
kyø khoaûng daãn ñieän cuûa SCR trong chu
kyøthay ñoåi => aùp ra ñöôïc thay ñoåi nhö hình
3.1.3. Hình 3.1.3: AÙp ra ñieàu khieån pha taûi trôû
Trang 1 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
Phöông phaùp naøy goïi laø ñieàu khieån pha, laø moät noäi dung raát quan troïng cuûaÑTCS, seõ ñöôïc
khaûo saùt ôû cuoái chöông vaø coøn tieáp tuïc ôû chöông chænh löu.
III.2. CAÙC SÔ ÑOÀ MAÏCH ÑOÄNG LÖÏC:
a. Sô ñoà moät pha:
- Duøng TriAC, hai SCR // ngöôïc.
- Caùc sô ñoà SCR +Diod (hình III.2.1. a vaø b)
D2 D1
x x x
L1 L2
SCR2 SCR1
Ñieàu SCR1 SCR2
khieån Taû i
Ñieà u khieån
(a) (b) Hình 3.2.1: Sô ñoà ÑK coâng suaát xoay
chieàu.
b. Sô ñoà ba pha:
G
SCR A
T1 T2 SCR1A R
SCR A
TRIAC A SCR2A
DA
SCR B
R
Nguoàn Taûi SCR1B Nguoàn Taûi SCR B
Nguoàn Taûi Nguoàn
SCR2B
DB
G
SCR C R
SCR C
T1 T2 SCR1C
TRIAC C SCR2C
DC
(a) (b) (c) (d)
Hình 3.2.2: ÑK coâng suaát xoay chieàu, sô ñoà ba pha.
II.3 ÑIEÀU KHIEÅN ON – OFF:
1. Nguyeân lyù ñieàu khieån coâng suaát: thay ñoåi tæ leä tON/ T (ñoä roäng xung töông ñoái) cuûa quaù
trình ñoùng ngaét.
Coù theå chöùng minh deå daøng laø coâng suaát trung bình cuûa taûi:
PO = PMAX. tON/T
PMAX: Coâng suaát nhaän ñöôïc khi noái tröïc tieáp vaøo löôùi.
tON: Thôøi gian thyristor ON. T: Chu kyø ñoùng ngaét
2. Ñoùng ngaét luùc aùp qua ñieåm
khoâng (zero switching):
a. Nguyeân lyù: Thyristor chæ ñoùng
maïch khi aùp nguoàn qua zero.
Khi ñoù, aùp treân taûi chæ coù theå laø soá
nguyeân baùn kyø löôùi. Doøng qua taûi taêng
Trang 2 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
leân töø zero ngay caû khi taûi R. Hình 3.3.1: sô ñoà ÑK zero switching
b. Lôïi ích cuûa zero switching:
Traùnh ñöôïc khaû naêng phaùt xaï nhieãu voâ tuyeán hay nhieãu lan truyeàn treân daây nguoàn khi
doøng taûi bò taêng ñoät ngoät luùc Thyristor baét ñaàu daãn vôùi taûi R.
c. Maïch ñieàu khieån zero switching:
Nguyeân lyù cuûa zero switching laø chæ kích thyristor khi aùp nguoàn qua zero (hình 3.3.1). Hình
3.3.2 phaùt xung khi aùp nguoàn qua zero neân ñöôïc goïi laø maïch khaùm phaù zero (zero detector). Xung
zero (ZD) naøy phaûi qua coång AND kieåm soaùt baèng tín hieäu ñieàu khieån ÑK.
(c)
Hình 3.3.2 : sô ñoà khaùm phaù ñieåm khoâng a vaø
b, c laø daïng aùp ra hình b.
Maïch khaùm phaù zero coøn ñoùng vai troø raát quan troïng trong nhöõng maïch ñieàu khieån laøm
vieäc vôùi löôùi ñieän xoay chieàu.
3. ÖÙng duïng ÑK ON - OFF:
Nguyeân taéc chung: Thyristor thay theá ngaét ñieän cô khí ñeå ñoùng ngaét taûi AC vôùi nhieàu öu
ñieåm, ñöôïc goïi laø Rô le, contactor baùn daãn SSR ( solid state relay )
T1
R
In 33
1
4
Ñieàu G
khieån 0.1u Out
T2
2
3
(a)
SCR2 D2
In
33 Out
470
SCR1 0.1u
(b)
D1
Hình 3.3.4: Ñaëc tính OPTRON TriAC
Trang 3 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
Hình 3.3.3: Sô ñoà rô le baùn daãn
- Sô ñoà khoái toång quaùt (hình 3.3.3.a): Ngoû vaøo cuûa SSL noái boä ñieàu khieån TRIAC qua boä
caùch ly Optron. Khi diod phaùt quang cuûa Optron coù doøng, transistor ngoû ra seõ baûo hoøa, taùc ñoäng
leân maïch Ñieàu khieån cung caáp doøng kích cho TRIAC.
- Maïch ñieän ñk ON – OFF taûi duøng SCR vaø tieáp ñieåm cô khí (relay) (hình 3.3.3.b)
Hình 3.3.5: Sô ñoà rô le baùn daãn duøng OPTRON TRIAC
Hìn 3.3.4 vaø 3.3.5 höôùng daãn caùch söû duïng Optron TRIAC ñeå ñieàu khieån ON-OFF .
Öu ñieåm: SSR khoâng taïo ra tia löûa ñieän khi ñoùng ngaét, soá laàn vaø taàn soá ñoùng ngaét cho pheùp
raát cao, coâng suaát ñieàu khieån raát beù - coù theå taùc ñoäng tröïc tieáp töø maïch vi ñieän töû, coù theå tích hôïp
vôùi caùc boä ñieàu khieån ñieän töû khaùc ñeå ñöôïc nhieàu tính naêng môùi.
Nhöôïc ñieåm: Laø caùc nhöôïc ñieåm cuûa thieát bò ñieän töû: khaû naêng quaù taûi keùm, hoûng khoâng
phuïc hoài ñöôïc, nhaïy vôùi nhieãu, nhieät …
Rô le, contactor baùn daãn thöôøng ñöôïc duøng thay theá rô le, contactor cô khí khi caàn soá laàn
ñoùng ngaét lôùn, maïch caáp ñieän cho bieán aùp maùy haøn ñieän trôû (haøn tieáp xuùc), ñieàu khieån loø ñieän hay
taùc ñoäng nhanh (nhö oån aùp xoay chieàu hay UPS) …
III.4 ÑIEÀU KHIEÅN PHA AÙP XOAY CHIEÀU:
Ñieàu khieån pha ( ÑKP ): laø phöông phaùp thay ñoåi ñieän aùp ra trong heä thoáng coù nguoàn hình
sin baèng caùch söû duïng xung kích coång caùc thyristor coù cuøng taàn soá nhöng goùc leäch pha thay ñoåi so
vôùi hình sin löôùi. Nhö vaäy thyristor daãn moät phaàn chu kyø löôùi, ñieåm baét ñaàu daãn cuûa thyristor seõ
thay ñoåi theo goùc ñieàu khieån, nhöng thyristor chæ trôû veà traïng thaùi khoùa khi doøng ñieän veà khoâng.
Hình 3.4.1: Sô ñoà vaø daïng aùp ra sô ñoà ñieàu khieån pha taûi thuaàn trôû.
Thoâng soá caên baûn cuûa ÑKP laø goùc ñieàu khieån pha (ÑKP) α − coøn goïi laø goùc thoâng chaäm
Trang 4 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
(angle of retard, delayed angle), ñöôïc tính töø vò trí töông öùng vôùi α = 0 goïi laø goùc chuyeån maïch töï
nhieân hay khoâng coù ñieàu khieån. Goùc chuyeån maïch töï nhieân naøy laø ñieåm thyristor baét ñaàu daãn ñieän
khi ta cung caáp doøng cöïc coång lieân tuïc vaø taûi laø thuaàn trôû, töông öùng vôùi tröôøng hôïp thay theá
thyristor baèng diode. Coù theå deå daøng thaáy laø khi α = 0, aùp ra seõ cöïc ñaïi.
Thoâng soá khaùc cuûa sô ñoà ñieàu khieån laø beà roäng xung kích thyristor phaûi ñaûm baûo phaïm vi
thay ñoåi goùc ÑKP roäng nhaát, töø giaù trò aùp ra toái thieåu ( thöôøng baèng 0 ) töông öùng α = αMAX ñeán
toái ña α = 0 ( HT khoâng ñieàu khieån ).
2. Khaûo saùt sô ñoà moät pha:
a. Taûi ñieän trôû: ( Hình 3.4.1 )
Goïi aùp nguoàn v = V 2 sin ωt < 3.4.1 >
vôùi V , ω : trò soá hieäu duïng vaø taàn soá goùc aùp nguoàn
Taïi wt = 0, ñoùng nguoàn. T khoâng daãn neân doøng taûi iO = 0
=> aùp ra vO = 0, aùp treân TRIAC vT = v – vO = v > 0. Thyristor phaân cöïc thuaän.
Taïi wt = α , coù doøng kích iG vaø vT > 0 => T daãn ñieän, ta coù:
vT = 0, vO = v => iO = v/R coù daïng hình sin nhö ñieän aùp.
Taïi wt = π , vO = 0, iO = 0 => T taét .
Trong baùn kyø aâm, daïng aùp doøng ñöôïc laäp lai, nhöng vôùi giaù trò ngöôïc laïi (hình 3.4.1.(b)).
- Trò hieäu duïng aùp treân taûi:
π
VOR = 1
∫
T T
v2 dt = 1
π ∫ (V π
( 2
)
2 sin ωt ) 2 dωt = V 1 π − α + 1 sin 2α < 3.4.2>
α
Kieåm tra laïi: khi α = 0 , aùp ra baèng aùp nguoàn VOR = V . Vì doøng coù cuøng daïng vôùi aùp ( taûi
thuaàn trôû ), trò hieäu duïng doøng qua taûi:
I OR = OR =
V
R
V 1
R π
( )
π − α + 1 sin 2α
2
- Coâng suaát:
(vo )2 (VOR )2
PO = 1 1
T ∫T o o T ∫T R
v ⋅ i dt = dt =
R
Bieåu thöùc naøy vaãn gioáng nhö tröôøng hôïp nguoàn hình sin vì do taûi thuaàn trôû, daïng doøng aùp
treân taûi vaãn gioáng nhau.
- Coù theå chöùng minh deã daøng laø HSCS cuûa maïch < 1 do doøng qua nguoàn khoâng hình sin.
Baøi taäp: Tìm bieåu thöùc toång quaùt cuûa HSCS khi ñieàu khieån pha aùp AC taûi R.
Ví duï: Tìm goùc ÑKP α ñeå coâng suaát ra baèng ½ coâng suaát cöïc ñaïi ( khi ñoùng tröïc tieáp vaøo
nguoàn).
Giaûi: Giaûi tröïc tieáp baøi toaùn ngöôïc suy töø phöông trình khoâng thöïc hieän ñöôïc, töø
, ta coù
(vo )2 (v)2
∫T (vo ) (v)2 dt
1 1 1 2 dt = 1
PO =
T T R ∫ dt = ⋅ PMAX =
2 T T R
dt hay ∫ 2 T∫
=> Ta caàn coù tích phaân cuûa bình phöông aùp ra vO baèng ½ tích phaân cuûa bình phöông aùp
nguoàn v , do tính ñoái xöùng cuûa hình sin, suy ra α = 90 O . Coù theå kieåm tra laïi baèng tính toaùn theo
Trang 5 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
< 3.4.3 > vaø < 3.4.4 >, tröôøng hôïp naøy aùp ra vO coù trò hieäu duïng laø V / 2 .
b. Taûi RL:
Khaûo saùt töông töï tröôøng hôïp taûi ñieän trôû :
Taïi wt = 0, ñoùng nguoàn. TRIAC T khoâng daãn neân doøng taûi iO = 0
=> aùp ra vO = 0, aùp treân T laø vT = v – vO = v > 0. Thyristor phaân cöïc thuaän.
Hình 3.4.2 Sô ñoà vaø daïng aùp ra sô ñoà ñieàu khieån pha taûi caûm khaùng.
Taïi wt = α , coù doøng kích iG vaø vT > 0
dio
=> T daãn ñieän, vT = 0, vo = R ⋅ io + L ⋅ = v = V 2 sin wt < 3.4.5 >
dt
vôùi ñieàu kieän ban ñaàu iO = 0 khi wt = α
Giaûi ra :doøng taûi coù daïng iO = iO1 + iO2 vôùi
* iO1 laø thaønh phaàn xaùc laäp, xaùc ñòng töø taùc duïng cuûa nguoàn hình sin v :
V 2 wL
io1 = sin( ωt − φ ) vôùi toång trôû taûi Z = R 2 + (ωL)2 vaø goùc pha φ = tg −1
Z R
di o
* iO2 laø thaønh phaàn quaù ñoä, laø nghieäm cuûa pt khoâng veá hai: 0 = R ⋅ i o + L ⋅
dt
−t
io2 = Ae τ vôùi thôøi haèng τ = L , Haèng soá tích phaân A xaùc ñònh töø ñieàu kieän ban ñaàu
R
V 2 −α
0= sin( α − φ ) + Ae ω⋅ τ suy ra
Z
bieåu thöùc doøng ñieän ngoû ra iO nhö sau
V 2⎡ − ( ωt − α ) ⎤
io = ⎢ sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥
Z ⎢⎣ ⎥⎦
< 3.4.6 >
Caùc thaønh phaàn doøng ñieän iO ñöôïc veõ treân
hình 2.13 cho moät baùn kyø.
Khi wt = α + γ doøng veà khoâng: iO = 0 suy ra
−γ
sin( α + γ − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ = 0 < 3.4.7 >
hay:
Hình 3.4.3 : Caùc thaønh phaàn cuûa doøng ñieän
Trang 6 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều taûi ( veõ chohttp://www.khvt.com
moät baùn kyø )
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
−γ
sin( α + γ − φ ) = sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ < 3.4.7* >
γ : beà roäng xung doøng hay goùc daãn cuûa Thyristor, laø nghieäm cuûa < 3.4.7*>. Phöông trình
naøy chæ coù theå giaûi baèng phöông phaùp soá.
Nhaän xeùt laø γ > π − α nghiaõ laø khi aùp löôùi veà khoâng, doøng chöa veà khoâng, thyristor seõ daãn
ñieän ôû moät phaàn baùn kyø aâm.
Hieän töôïng naøy coù theå giaûi thích baèng taùc duïng cuûa töï caûm L luoân luoân choáng laïi söï thay
ñoåi cuûa doøng ñieän. Khi thyristor baét ñaàu daãn, doøng qua maïch taêng leân töø giaù trò khoâng. Vì
di
vL = L o > 0 suït aùp qua R beù hôn aùp nguoàn. Khi aùp nguoàn v giaûm, iO giaûm vaø vL < 0 laøm
dt
taêng hieäu theá qua R, cho pheùp doøng qua noù vaãn coøn khi aùp nguoàøn ñaõ aâm. vL laø phaàn dieän tích
gaïch soïc thaúng ñöùng treân, vR laø phaàn coù chaám ôû hình 3.4.3.
Trong baùn kyø aâm, daïng aùp doøng ñöôïc laäp lai, nhöng vôùi giaù trò ngöôïc laïi ( hình 3.4.3).
Trò hieäu duïng aùp ra:
α +γ
2
VoR = 1
T ∫T
vo dt = π
1
∫α ( V 2 sin ωt ) 2 dωt
< 3.4.8>
=V π
1
(γ + 1
2 [sin 2α − sin 2(α + γ )] )
Bieåu thöùc tính trò hieäu duïng doøng ra coù daïng raát phöùc taïp vì iO coù caû haøm sin vaø haøm muõ,
khoâng tieän tính toaùn baèng giaûi tích. Trong phuï luïc ôû cuoái chöông, phöông phaùp tính toaùn goùc daãn,
caùc ñaëc tröng cuûa doøng ñieän trong boä bieán ñoåi ñieàu khieån pha baèng ñoà thò ñöôïc trình baøy.
Caùc nhaän xeùt:
* AÙp ra baèng khoâng khi α = αMAX = 180 O.
* Goùc α toái thieåu vôùi taûi RL ( phaïm vi ñieàu chænh goùc ñieàu khieån pha taûi RL ) baèng φ. Khi
α giaûm, goùc daãn γ taêng. Khi γ = 180 O , xung doøng baùn kyø döông noái lieàn xung doøng cuûa baùn kyø
aâm ( doøng ñieän laø lieân tuïc ), aùp ra vO ñaït cöïc ñaïi vaø baèng aùp vaøo v, doøng ra hình sin töông öùng goùc
ñieàu khieån pha laø cöïc tieåu ( ñeå coøn coù theå ñieàu khieån ) - giaù trò naøy baèng φ. Coù theå theá vaøo
ñeå kieåm tra. Khi kích caùc thyristor vôùi xung coù α < φ vôùiù daïng thích hôïp ( xung roäng), aùp ra khoâng
thay ñoåi – heä thoáng khoâng coøn ñieàu khieån ñöôïc khi α > φ.
* Yeâu caàu kích xung roäng: Khi ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu, xung kích caùc thyristor caàn
laø xung roäng ñeå ñaûm baûo maïch laøm vieäc bình thöôøng khi α < φ. Ñoái vôùi sô ñoà moät pha, ngöôøi ta
thöôøng duøng xung coù beà roäng ( π − α ) töông öùng xung baét ñaàu ôû wt = α vaø chaám döùt ôû wt = π ôû
chu kyø ñaàu. Ñeå chöùng toû söï caàn thieát naøy, ta quan saùt hình 2.14 moâ taû quaù trình quaù ñoä boä ÑKP aùp
xoay chieàu moät pha taûi RL kích baèng xung roäng khi goùc ÑKP α < φ.
Trang 7 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
Hình 3.4.4: Quaù trình quaù ñoä boä ÑKP aùp xoay chieàu moät pha.
ÔÛ baùn kyø ñaàu tieân, T1 seõ daãn ñieän ngay khi ñöôïc kích. Do α < φ, goùc daãn γ cuûa T1 lôùn hôn
π vaø ñeán baùn kyø thöù hai, khi T2 coù xung cöïc coång, T1 vaãn coøn daãn, neân T2 vaãn bò ñaët aùp aâm vaø
T2 seõ daãn ñieän ngay khi doøng T1 veà khoâng ( T1 taét ). Aùp ra vO vaãn baèng aùp nguoàn v laø giaù trò lôùn
nhaát coù theå coù. Nhö vaäy coù theå xem T2 ñöôïc kích vôùi goùc ÑKP lôùn hôn giaù trò α cuûa maïch ñieàu
khieån cung caáp nhöng vaãn lôùn hôn φ vaø goùc daãn γ cuûa noù tieáp tuïc lôùn hôn π . Moïi vieäc xaûy ra
töông töï ôû caùc baùn kyø sau. Ñeå yù laø duø caùc goùc daãn thay ñoåi, chuùng luoân lôùn hôn π vaø aùp ra vO vaãn
baèng aùp nguoàn v. Quaù trình quaù ñoä naøy seõ chaám döùt khi doøng trôû thaønh hình sin vaø leäch pha vôùi
aùp goùc φ .Neáu xung kích caùc thyristor khoâng keùo daøi, T2 seõ khoâng theå daãn ñieän khi T1 taét. ÔÛû baùn
kyø thöù 3, T1 laïi daãn vaø ñeán baùn kyø thöù 4, T2 cuõng khoâng theå laøm vieäc nhö ta mong muoán.
3. Sô ñoà ba pha:
Trong coâng nghieäp, ñeå cung caáp G
T1 T2
Taûi
ñöôïc coâng suaát lôùn cuõng nhö ñaûm baûo söï TRIAC A
caân baèng cuûa löôùi ñieän, ngöôøi ta duøng caùc
G
sô ñoà ba pha. Sô ñoà hình 3.2.2.(b) duøng ba
TRIAC cho taûi trôû hay ba caëp SCR song Nguoàn T1 T2
Taûi
song ngöôïc laø caùc sô ñoà cho ra aùp doøng caân TRIAC B
baèng, duøng ñöôïc cho ñieàu khieån pha taûi
G
ñieän xoay chieàu. T1 T2
Taûi
Trong moät soá tröôøng hôïp ngöôøi ta TRIAC C
coøn duøng caùch noái ba maïch moät pha ñoäc laäp
nhö hình 3.4.5 vì lyù do ñôn giaûn. Luùc naøy Hình 3.4.5 Sô ñoà ñieàu khieån pha taûi ba pha duøng ba
moãi pha taûi vaø thyristor ñieàu khieån noái vaøo maï ch moät pha
aùp daây, caùc pha khoâng aûnh höôûng laãn nhau, tính toaùn nhö maïch moät pha.
Hoaït ñoäng cuûa maïch ba pha hình 3.2.2.(b) vôùi taûi R hay RL hoaøn toaøn töông töï nhö sô ñoà
moät pha nhöng vieäc khaûo saùt phöùc taïp hôn vì caùc pha coù moái lieân quan vôùi nhau.
Coù 2 tröôøng hôïp (moâ taû vôùi taûi noái Y):
- Chæ coù hai nhaùnh SCR daãn ñieän: aùp pha coù doøng taûi baèng ½ aùp daây töông öùng, aùp pha
khoâng coù doøng baèng 0.
- Caû ba nhaùnh SCR daãn ñieän: aùp pha taûi baèng aùp pha nguoàn.
Trang 8 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
Hình 3.4.5b: Daïng aùp ra (aùp daây) maïch ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu, sô ñoà 3 pha hình 2.5b taûi
thuaàn trôû.
Vieäc SCR chæ ngaét khi doøng qua noù baèng khoâng ñaõ laøm vieäc khaûo saùt giaûi tích BBÑ ba pha taûi RL
khoâng theå thöïc hieän ñöôïc, chæ coù theå moâ phoûng treân maùy tính hay qua thí nghieäm. Nhö vaäy, vieäc
tính toaùn cuõng döïa vaøo caùc ñoà thò hay chöông trình maùy tính.
Keát quaû khaûo saùt cuõng hoaøn toaøn töông töï: Khi taêng goùc ñieàu khieån pha, aùp ra giaûm laàn.
Goùc daãn cuûa caùc thyristor cuõng phuï thuoäc vaøo tính chaát cuûa taûi. Coù theå chöùng minh deå daøng laø vôùi
taûi RL, khi α nhoû hôn φ ta cuõng heát ñieàu khieån ñöôïc aùp ra vì luùc ñoù caùc thyristor luoân luoân daãn.
AÙp ra baèng aùp löôùi.
4. ÖÙng duïng ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu:
a. Ñieàu chænh ñoä saùng ñeøn coù tim, oån aùp xoay
chieàu duøng thyristor::
b. Ñieàu chænh aùp ñaàu vaøo cuûa bieán aùp duøng cho
L T
caùc öùng duïng giaûm hay taêng aùp: G
0.1u
Trong coâng nghieäp coù nhieàu öùng duïng söû duïng
aùp löôùi qua bieán aùp coù nhu caàu thay ñoåi aùp ra, moät 220
chieàu hay xoay chieàu ví duï nhö haøn hoà quang (duøng VAC 2k2
vôùi taûi xoay chieàu hay moät chieàu ), caùc boä nguoàn cho 10k
xi maï, ñieän phaân ( aùp thaáp doøng lôùn ), caùc boä nguoàn
cho thieát bò loïc tænh ñieän ( aùp cao doøng nhoû ) … 47k
0.1u
Vieäc söû duïng boä ñieàu khieån aùp xoay chieàu baùn
daãn seõ laøm taêng tính kinh teá cho thieát keá. Hình 2.16 Boä Light dimmer duøng TRIAC
Trang 9 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
c. Trong ñieàu khieån ñoäng cô SCRs
khoâng ñoàng boä:
G
CT
Coù hai öùng duïng quan troïng: T1 T2
CB
khôûi ñoäng ñoäng cô vaø ñieàu chænh toác LÖÔÙI
ñoä. ÑCô KÑB
- Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô
khoâng ñoàng boä: Coù taùc duïng raát giôùi BOÄ
haïn. ÑIEÀU KHIEÅN
- Khôûi ñoäng ñoäng cô khoâng
ñoàng boä: Ñaây laø öùng duïng raát coù giaù Hình 2.17: Boä khôûi ñoäng ñoäng cô khoâng ñoàng boä duøng
trò cuûa ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu. thyristor. CB: Ngaét ñieän töï ñoäng (aùptomat), CT: bieán
doøng ñieän.
Khi ñoùng tröïc tieáp vaøo löôùi ñieän, doøng khôûi ñoäng ñoäng cô khoâng ñoàng boä raát lôùn, töø 5 ñeán
7 laàn doøng ñònh möùc. Ñieàu naøy gaây aûnh höôûng ñeán caùc thieát bò duøng ñieän khaùc, nhaát laø khi coâng
suaát löôùi bò giôùi haïn hay ôû cuoái ñöôøng daây coù suït aùp lôùn. Vieäc duøng boä ñieàu khieån aùp xoay chieàu
duøng SCR taêng daàn aùp ñaët vaøo ñoäng cô seõ laøm giaûm doøng khôûi ñoäng xuoáng coøn töø 1.5 deán 3 laàn
doøng ñònh möùc, phuï thuoäc vaøo cheá ñoä taûi. Coù theå phaûn hoài doøng ñieän qua ñoäng cô veà boä ñieàu
khieån ñeå kieåm soaùt chính xaùc doøng khôûi ñoäng, goùc kích caùc thyristor chæ ñöôïc pheùp giaûm (laøm
taêng aùp ra) khi doøng qua ñoäng cô beù hôn giaù trò cho pheùp. Khi aùp ñaët vaøo ñoäng cô ñaït giaù trò ñònh
möùc, coù theå duøng coâng taéc tô cô khí ñeå ngaén maïch, loaïi boû boä khôûi ñoäng neáu muoán.
Moät khaû naêng khaùc cuûa thieát bò naøy laø ta coù theå taêng daàn aùp ñaët vaøo ñoäng cô vôùi ñoä doác
thay ñoåi vaø toác ñoä ñoäng cô cuõng taêng daàn theo aùp,vaø ñaây chính laø lyù do phöông phaùp naøy coù teân
thöông maïi laø soft start. Nhôø ñoù coù theå thay ñoåi thôøi gian khôûi ñoäng, töø 1 giaây ñeán 10 giaây hay hôn
ôû moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät. Nhö vaäy gia toác khi khôûi ñoäng ñöôïc kieåm soaùt, ñaây laø yeâu caàu ñeå
khôûi ñoäng caùc truyeàn ñoäng cung caáp cô naêng cho moät soá daïng taûi, ví duï caùc maùy moùc lieân quan
ñeán cuoán hay keùo caùc saûn phaåm daïng baêng − raát hay gaëp trong coâng nghieäp deät, giaáy, in, … hay
trong coâng nghieäp naëng vôùi caùc maùy moùc coù quaùn tính lôùn.
III.5 TOÙM TAÉT CAÙC YÙ CHÍNH:
Sau khi hoïc chöông ba, ta caàn naém ñöôïc caùch söû duïng thyristor (SCR vaø TRIAC) ñeå ñieàu
khieån caùc taûi AC duøng ñieän löôùi, bao goàm:
- Ñoùng ngaét maïch ñieän thay caùc thieát bò cô khí quen thuoäc. Caùc rôle contactor baùn daãn môû
ra nhöõng khaû naêng môùi, trong ñoù khaû naêng ñoùng ngaét khi aùp qua zero raát ñaùng chuù yù.
- Ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu. Baèng caùch thay ñoåi (laøm chaäm) pha cuûa xung kích caùc
thyristor, aùp ra cuûa boä bieán ñoåi ñöôïc ñieàu khieån (giaûm). Caùc ñaëc ñieåm caàn chuù yù la:ø aùp ra seõ thay
ñoåi theo ñaëc tính cuûa taûi do thyristor chæ töï taét khi doøng giaûm veà khoâng; aùp ra khoâng hình sin daãn
ñeán vieäc tính toaùn doøng aùp ngoû ra raát phöùc taïp. Duø ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu coù moät soá öùng
duïng ñaùng chuù yù, vieäc khaûo saùt trong chöông ba chæ nhaèm muïc ñích laøm quen, daãn nhaäp vaøo chænh
löu ñieàu khieån pha (chöông ba) laø moät troïng taâm cuûa giaùo trình.
BAØI TAÄP & CAÂU HOÛI :
1. Nguyeân taéc ñieàu roäng xung ñeå ñieàu khieån coâng suaát loø ñieän. Chu kyø ñieàu roäng coù theå
choïn laø bao nhieâu khi söû duïng phaàn töû ñoùng ngaét laø TRIAC hay contactor baùn daãn.
Trang 10 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
2. Nguyeân lyù zero switching, öu ñieåm cuûa noù khi ñoùng ngaét taûi R.
3. Veõ daïng aùp ra cuûa sô ñoà chænh löu baùn soùng (chænh löu moâït diod) vaø ñieàu khieån pha aùp
xoay chieàu sô ñoà moät pha vôùi taûi thuaàn trôû. Chöùng toû laø trò soá hieäu duïng aùp treân taûi trong hai
tröôøng hôïp ñeàu baèng 1 hieän duõng aùp nguoàn.
2
4. Söû duïng phuï luïc 1 ñeå tính goùc kích thyristor cuûa sô ñoà ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu taûi
R ñeå coù trò hieäu duïng aùp ra laø 110 v khi aùp nguoàn laø 220 v (hieäu duïng).
Höôùng daãn: vì doøng aùp treân taûi R tæ leä ( io = vo R ), suy ra trò soá hieäu duïng aùp, doøng cuõng tæ leä:
VOR = 1
∫v2 ⋅ dt = 1 R 2 ⋅ io2 ⋅ dt = R ⋅
∫
1 i 2 ⋅ dt = R ⋅ I OR
∫
T T o T T T T o
Theo ví duï cuûa PL 1.2, I OR = 2 ⋅ I RN ⋅ I B , IRN tra baûng theo (α,φ), I B = 2V / Z . ta coù:
VOR = R ⋅ 2 ⋅ I RN ⋅ I B = 2 ⋅ V ⋅ I RN suy ra I RN = 1/ 4 = 0.25 .
Tra ñoà thò hình PL1.2 , vôùi IRN = 0.25 vaø φ = 0 o (taûi thuaàn trôû), nhaän ñöôïc α = 114 O
.
Thöû laïi baèng VOR = V π
1
(π −α + 1
2 sin 2α ) ; theá α = 114 O
= 1.92 rad vaø V =220 vaøo,
tính ñöôïc trò hieäu duïng aùp ra laø 109.7 volt.
PHUÏ LUÏC 1 : GIAÛI BAØI TOAÙN ÑIEÀU KHIEÅN PHA DOØNG GIAÙN ÑOAÏN TAÛI RL BAÈNG ÑOÀ THÒ:
Vieäc giaûi tích doøng ñieän caùc sô ñoà ñieàu khieån pha taûi RL ñeàu coù theå quy veà daïng cô baûn:
moät SCR laøm vieäc vôùi nguoàn xoay chieàu nhö hình PL1. Thaät vaäy, ôû baát kyø sô ñoà, moãi luùc moät pha
löôùi chæ coù theå coù doøng qua moät SCR, taïo ra moät xung doøng ñieän. Hình PL1 khaûo saùt tröôøng hôïp
xung doøng döông, töông öùng vôùi baùn kyø döông cuûa nguoàn, xung doøng aâm hoaøn toaøn töông töï.
Hình
PL1.1
Ta coù : nguoàn hình sin v = V 2 sin ωt .
wL
R 2 + (ωL) vaø goùc pha φ = tg −1
2
Taûi RL coù thoâng soá: toång trôû taûi Z =
R
Nhö ñaõ khaûo saùt, phöông trình doøng iO coù daïng < 2.10 >:
Trang 11 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
V 2 ⎡ − ( ωt − α ) ⎤
io = ⎢ sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥
Z ⎢⎣ ⎥⎦
goùc daãn γ laø nghieäm cuûa
−γ
khi ωt = γ , io = 0 töông öùng sin( α + γ − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ = 0 < PL1.1 >
α+γ
Trò trung bình doøng IO : Io = 1 i dt = 1
∫ ∫ io dwt
T T o 2π
α
α+γ ⎡ − ( ωt − α ) ⎤
V 2
Io = 1
2π Z ∫ ⎢⎢sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥ dwt
⎥⎦
< PL1.2 >
α ⎣
α+γ
Trò hieäu duïng doøng IOR: I OR = 1 (i )2 dt =
∫
T T o
1
2π ∫ (io ) dwt
2
α
α+γ ⎡ −( ωt − α ) 2
V 2 ⎤
I OR = 1
2π ∫ ⎢ sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥ dwt < PL1.3 >
α ⎣⎢ ⎦⎥
Z
Ba phöông trình treân coù theå tính toaùn deå daøng vôùi söï trôï giuùp cuûa maùy tính. Trong thöïc
haønh, chæ coù theå döïa vaøo caùc ñoà thò ñeå giaûi caùc baøi toaùn lieân quan deán caùc tích phaân treân.
1. Tính goùc daãn γ :
Söû duïng maùy tính, ngöôøi ta tính γ theo α , φ (phöông trình < PL1.1 >). Hình PL1.2 bao
goàm caùc ñöôøng cong γ (α) vôùi φ laø thoâng soá. Döïa vaøo ñoù coù theå tìm moät thoâng soá khi bieát hai
thoâng soá coøn laïi.
Ví duï: Cho sô ñoà ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu moät pha taûi RL.
R = 10 ohm
XL = ωL =10 ohm
a. Tính goùc daãn khi α = 60 O
Z = (10 2 + 10 2 ) ½ = 14.1 ohm,
φ = 45 O
Tra baûng :
α = 60 O vaø φ = 45 O => γ = 162O
b. XL phaûi baèng bao nhieâu ñeå
coù goùc daãn baèng 180 ?
α = 60 O vaø γ = 180O => φ = 60O
=> XL = R . tg(60O) = 17.32 ohm
2. Tính trò hieäu duïng :
Ñoà thò treân hình PL1.3 laø keát quaû
cuûa tích phaân trò soá doøng hieäu duïng
Trang 12 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
qua SCR khi ñöa < PL1.3 > veà heä Hình PL1.2 : Ñoà thò tính goùc daãn cuûa thyristor taûi RL
töông ñoái, ñaët:
I V 2
I RN = OR vôùi I B = Luùc ñoù IRN chæ phuï thuoäc α , φ laø hai thoâng soá khoâng thöù nguyeân.
IB Z
α+γ ⎡ − ( ωt − α ) 2
⎤
I RN = 1
2π ∫ ⎢ sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥ dwt
α ⎢⎣ ⎥⎦
Do ñoù ñeå tính IOR, tra baûng ñeå coù IRN theo α , φ vaø suy ra IOR = IB.IRN
Trong thöïc teá raát hay gaëp tröôøng hôïp coù n xung doøng gioáng nhau trong moät chu kyø, ví duï n
= 2 nhö ôû ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu, sô ñoà moät pha (hình 2.12). Luùc ñoù, keát quaû seõ phaûi nhaân
cho n .
Thaät vaäy, bieåu thöùc cho trò hieäu duïng doøng ñieän moät xung
α+γ
I1OR = ∫ (io ) dwt
1 2
2π
α
Bieåu thöùc cho trò hieäu duïng
doøng ñieän n xung gioáng nhau trong
moät chu kyø:
α+γ
∫ (io )
n 2
I OR = n dwt
2π
α
suy ra
n =
I OR n ⋅ I1OR Hình PL1.3 : Trò hieäu duïng doøng ñieän sô ñoà ÑKP moät
SCR
Ví duï : Cho sô ñoà ñieàu khieån pha aùp xoay chieàu moät pha taûi RL, R = 10 ohm, XL = 10
ohm, aùp nguoàn 220 V.
a. Tính trò hieäu duïng doøng qua maïch khi α = 60 O
Giaûi:
Z = (10 2 + 10 2 ) ½ = 14.1 vaø φ = 45 O I B = 2 ⋅ V / Z = 22 A
Tra baûng , vôùi α = 60 O vaø φ = 45 O IRN = 0.45 => I OR = 2 ⋅ I B ⋅ 0.45 = 13.96 A
b. Tính goùc kích α ñeå doøng hieäu duïng qua taûi laø 9 A:
Trang 13 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Học kì 2 năm học 2004-2005
Vôùi IOR = 11 A => I RN = I RN /( I B ⋅ 2 ) = 11 /( 2 ⋅ 22) = 0.35 .
2 ñöôïc ñöa vaøo vì ñaây laø tính trò hieäu duïng vôùi 2 xung. Tra baûng, IRN = 0.35 vaø φ = 45 O
cho ta α = 85 O
Löu yù aùp vaø doøng treân taûi RL khoâng cuøng daïng neân trò soá hieäu duïng cuûa chuùng khoâng tæ leä
vôùi nhau nhö ôû tröôøng hôïp taûi R, nhö vaäy khoâng theå döïa vaøo phuï luïc 1 naøy giaûi ñeå giaûi baøi toaùn
ngöôïc: cho trò hieäu duïng aùp ra taûi RL, tìm goùc kích TRIAC.
3. Tính trò trung bình :
Töông töï nhö tính toaùn doøng hieäu duïng, tích phaân < PL1.2 > tính toaùn trò trung bình sô ñoà
ÑKP moät SCR khi ñöa veà heä töông ñoái:
α+γ ⎡ − ( ωt − α ) ⎤
I V 2
I ON = O = 1
I B 2π ∫ ⎢⎢sin( ωt − φ ) − sin( α − φ ) ⋅ e ω⋅ τ ⎥dwt vôùi IB =
α ⎣ ⎦⎥ Z
Vaäy trò trung bình ôû heä
töông ñoái ION chæ phuï thuoäc
α , φ ( hình PL1.4 ).
Do ñoù ñeå tính IO, tra
baûng ñeå coù ION theo α , φ vaø
suy ra IO = IB.ION .
Tính toaùn trò trung bình
vôùi SCR chæ gaëp trong chænh löu
ñieàu khieån pha ( chöông 3 ), khi
ngoû ra laø ñieän moät chieàu. Phuï
luïc naøy chæ giuùp tính toaùn cho
tröôøng hôïp doøng giaùn ñoaïn, khi
doøng ñieän coù nhöõng khoaûng
baèng zero.
Trong thöïc teá raát hay gaëp
Hình PL1.4 Trò trung bình doøng ñieän sô ñoà ÑKP moät SCR
tröôøng hôïp coù n xung doøng gioáng nhau trong moät chu kyø, ví duï n = 3 nhö ôû chænh löu hình tia 3
pha ñieàu khieån pha. Luùc ñoù, keát quaû seõ phaûi nhaân cho n. Chöùng minh töông töï nhö tröôøng hôïp tính
toaùn trò hieäu duïng :
Tích phaân doøng trung bình cho moät xung I O1 :
α +γ
I O1 = 1
2π ∫ i dwt
α
o
Bieåu thöùc cho trò trung bình doøng ñieän
n xung I On :
α +γ
1
I On = n
2π ∫α i dwt
o suy ra I On = n ⋅ I O
Trang 14 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều http://www.khvt.com
Bài giảng tóm tắt môn Điện tử công suất 1
Ví duï : Cho sô ñoà chænh löu caàu moät pha ñieàu khieån pha ( n = 2 ), taûi RL:
R = 10 Ω, XL = 10 Ω, aùp nguoàn 220 V.
Tính trò trung bình doøng
qua taûi khi α = 100 O
Giaûi: Z = (10 2 + 10 2 ) ½ = 14.1 vaø φ = 45 O
- Kieåm tra doøng giaùn ñoaïn: Laø ñieàu kieän caàn ñeå söû duïng caùc baûng tra.
α = 100 O vaø φ = 45 O => γ = 123O doøng giaùn ñoaïn, vì γ beù hôn goùc daãn khi doøng lieân tuïc
cuûa sô ñoà hai xung laø 360O / 2 = 180O .
- Tính doøng trung bình qua taûi:
Tra baûng , vôùi α = 100 O vaø φ = 45 O => ION = 0.14
I O = 2 ⋅ I B ⋅ 0.14 = 6.16 A
Trang 15 / Chương 3_ĐK áp xoay chiều © Huỳnh Văn Kiểm
Copyright by webtailieu.net