Chơng I: cơ sở lý thuyết và thực tiễn của các bộ
biến đổi năng lợng điện
1.1. Cơ sở lý thuyết trong biến đổi năng lợng
1.1.1 Các bộ biến đổi năng lợng trực tiếp
1.1.1.1 Bộ biến đổi ac dc
Bộ biến đổi AC DC là các mạch chỉnh lu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều.
Có nhiều cách để phân loại mạch chỉnh lu:
- Dựa theo số pha nguồn cấp ta có: chỉnh lu một pha, chỉnh lu hai pha, chỉnh lu ba
pha và chỉnh lu sáu pha.
- Dựa theo loại van bán dẫn:
+ Mạch van dùng toàn diode, đợc gọi là chỉnh lu không điều khiển
+ Mạch van dùng toàn SCR, đợc gọi là chỉnh lu điều khiển
+ Mạch chỉnh lu dùng cả diode và SCR, đợc gọi là chỉnh lu bán điều khiển.
- Dựa theo sơ đồ mắc: Sơ đồ chỉnh lu hình tia, sơ đồ chỉnh lu hình cầu.
Trong phạm vi đồ án nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi, ta
chỉ xét các mạch chỉnh lu điều khiển và chỉnh lu bán điều khiển.
Cấu trúc chỉnh lu nh hình vẽ:
Hình1.1: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu
Điện áp từ lới điện đợc đa qua biến áp để là giảm áp, sau đó đợc đa qua bộ
chỉnh lu để nắn dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều nhấp nhô. Dòng
điện này đợc san phẳng bởi bộ lọc để lấy ra dòng điện một chiều bằng phẳng.
Các thông số cơ bản của chỉnh lu
5
BA
CL Lọc
U
1
, P
1
U
2
, P
2
U
=
, P
=
- Điện áp tải:
- Dòng điện tải: I
d
= U
dc
/R
d
- Dòng điện chạy qua van: I
V
= Id/m
- Điện áp ngợc của van: U
N
= U
max
- Công suất biến áp:
- Số lần đập mạch trong một chu kì (m)
- Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải
1. 1.1.2 Bộ biến đổi AC AC
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của
điệp áp ngõ ra. Nó đợc 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 nhng trị hiệu
dụng điều chỉnh đợc. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều chỉ điều chỉnh đợc trị hiệu dụng dòng điện
xoay chiều nhng dòng điện không còn dạng sang sin, do đó nó không sử dụng đợc
cho phụ tải cần dòng dạng sin nh máy biến áp, động cơ không đồng bộ công suất
lớn hơn vài trăm W. Tuy nhiên nếu phụ tải không cần dòng dạng sin nh mạch
nhiệt ding điện trở thì Bộ biến đổi điện áp xoay chiều có u điểm nổi bật do công
suet tiêu tán nhiệt của linh kiện đóng ngắn bán dẫn không cao nh biến trở.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ
của các tải nh lò điện trở, bếp điện, quảng cáo
1.1.1.3 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
* Sơ đồ mạch điện
Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha gồm 2 SCR mắc song song ngợc
nhau. Khi tải có công suất nhỏ có thể thay 2 SCR bằng một triac
6
( )
=
T
0
dd
d.u
T
1
U
dsd
BA2BA1
BA
U.k
2
SS
S
=
+
=
SCR
2
Z
SCR
1
u
~
Hình 1.2: Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
* Nguyên lý hoạt động
Hình1.3: Dạng sóng mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
Khi kích SCR
1
trong bán kỳ dơng với góc kích hoặc kích SCR
2
trong bán kỳ âm
với cùng góc kích thì :
u
R
= U
m
sin t = U
m
sin
Sau khi SCR
1
hoặc SCR
2
ngng dẫn, u
R
= 0. Do 2 SCR mắc ngợc chiều nhau nên
u
SCR1
= -u
SCR2
khi có một trong hai SCR dẫn.
u
R
= U
m
sin khi SCR
1
hoặc SCR
2
dẫn
u
R
= 0 khi SCR
1
và SCR
2
không dẫn
u
SCR1
= -u
SCR2
= 0 khi SCR
1
hoặc SCR
2
dẫn
u
SCR1
= -u
SCR2
= U
m
sin khi SCR
1
và SCR
2
không dẫn
Trị hiệu dụng điện áp ra tải bằng:
7
u~
SCR
1
u
R
2
3
0
u
SCR1
=
-u
SCR2
SCR
1
SCR
2
( )
2
2sin
1sin2
2
1
2
0
2
+==
UdUU
R
Khi thay đổi từ 0 đến thì U
R
thay đổi từ U đến 0.
Trị số hiệu dụng của dòng điện trên tải: I = U
R
/z
Công suất tác dụng trên tải: p
t
= u
r
.i = u
r
2
/i
Để đơn giản chỉ nên dùng một mạch điều khiển kích đồng thời cả SCR
1
lẫn SCR
2
,
mỗi chu kỳ kích 2 xung.
1 1.1.4 Bộ biến đổi DC AC
Bộ biến đổi DC AC chính là các mạch nghịch lu độc lập. Nó có nhiêm
vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể
thay đổi đợc và làm việc phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thờng là điện áp chỉnh lu, ắc quy và các nguồn một
chiều độc lập khác.
1.1.1.5 Nghịch lu dòng một pha
Nghịch lu dòng là thiết bị biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều
có tần số tuỳ ý.
Đặc điểm cơ bản của nghịch lu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ
biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào L
d
thờng có giá trị lớn vô
cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục.
a) Sơ đồ mạch điện
8
i
d
+
-
T
1
T
2
T
3
T
4
i
c
i
z
i
N
Hình 1.4: Sơ đồ mạch điện nghịch lu dòng một pha
Mạch điện sử dụng 4 SCR có nhiệm vụ đóng ngắt
Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng hởng
LCR, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt.
b) Nguyên lý làm việc
Tín hiệu điều khiển đợc đa vào SCR T
1
,T
2
thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đa
vào T
3
, T
4
một góc 180
0
.
Điện cảm đầu vào của nghịch lu đủ lớn (L = ), do đó dòng điện đầu vào đ ợc san
phẳng, nguồn cấp cho nghịch lu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lu
(i
N
) có dạng xung vuông.
Hình1.5: Dạng sóng mạch
điện nghịch lu dòng một pha
Khi đa xung vào mở cặp van T
1
, T
2
, dòng điện i
N
= i
d
= I
d
. Đồng thời dòng qua tụ
C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu đợc nạp điện với dấu + ở bên trái và dấu - ở
bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về 0. Do i
N
= i
C
+ i
Z
= I
d
= hằng số,
nên lúc đầu dòng tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ ngời
ta đa xung vào mở cặp van T
3
, T
4
. Cặp T
3
, T
4
mở tạo quá trình phóng điện của tụ C
từ cực + về cực . Dòng phóng ngợc chiều với dòng qua T
1
và T
2
sẽ làm cho
T
1
và T
2
bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần nh tức thời. Sau đó tụ C sẽ
đợc nạp điện theo chiều ngợc lại với cực tính + ở bên phải và - ở bên trái.
Dòng nghịch lu i
N
= i
d
= I
d
nhng đã đổi dấu. Tiếp đó, ngời ta đa xung vào mở T
1
, T
2
thì T
3
, T
4
sẽ bị khoá lại và quá trình đợc lặp lại nh trớc.
9
0
0
0
0
i
d
i
c
i
Z
i
T
1
i
T
2
T
I
d
1.1.1.6 Nghịch lu áp một pha
a) Sơ đồ mạch điện
Nghịch lu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều
ba pha với tần số tuỳ ý.
Nghịch lu áp đợc sử dụng van điều khiển hoàn toàn.
Hình1.6: Sơ đồ mạch điện nghịch lu áp một pha
Giả thiết các van động lực là các khoá diện tử lý tởng, tức là thời gian đóng
và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không.
Mạch điện gồm 4 van động lực chủ yếu là: T
1
, T
2
, T
3
, T
4
và các diode D
1
,
D
2
, D
3
, D
4
dùng để trả công suất phản kháng của tải về lới và nh vậy tránh đợc
hiện tợng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C đợc mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là
nguồn một chiều. Nh vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của
tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp.
b) Nguyên lý làm việc
ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ữ
2
), cặp van T
1
, T
2
dẫn điện, phụ tải đợc đấu vào
nguồn. Do là nguồn áp nên điện áp trên tải U
t
= E (hớng dòng điện là đờng nét
liền). Tại thời điểm (0 =
2
), T
1
, T
2
bị khoá đồng thời T
3
, T
4
mở ra. Tải sẽ đợc đấu
10
T
1
T
4
T
3
T
2
D
3
D
2
D
1
D
4
Zt
i
d
CE
+
-
i
t
u
t
i
t
0
i
T1
,2
0
i
D1
,2
0
i
0
E
vào nguồn theo chiều ngợc lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U
t
= -E
tại thời điểm
2
. Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hớng cũ (đờng
nét liền). T
1
, T
2
đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D
3
,D
4
. Suất điện động
cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồ tra năng lợng thông qua D
3
, D
4
về tụ C (đờng
nét đứt).
Tơng tự nh vậy khi khoá cặp T
3
, T
4
dòng tải sẽ khép mạch qua D
1
, D
2
.
Hình1.7: Dạng
sóng mạch điện
nghịch lu áp một pha
1. 1.1.7 Bộ biến đổi DC _DC
Bộ biến đổi DC _DC còn gọi là bộ băm áp một chiều. Các bộ băm áp một
chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với
tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt đợc mắc song song với tải
1.1.2 Các bộ băm áp một chiều nối tiếp
Bộ biến đổi DC _DC chính là bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều
khiển giá trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một
chiều không đổi ở ngõ vào.
11
U
1
Z
d
U
d
K
+
_
U
1
t
1
U
t
2
T
CK
U
d
t
U
TB
Hình 1.8 :Sơ đồ mạch băm áp một chiều nối tiếp tải thuần trở
Mạch băm áp một chiều nối tiếp là mạch có phần tử chuyển mạch tạo các
xung điện áp đợc mắc nối tiếp với tải.
Điện áp một chiều đợc điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khoá K
trong chu kì đóng cắt. Trong khoảng 0 ữ t
1
khoá K đóng, điện áp tải bằng điện áp
nguồn (U
d
= U
1
), trong khoảng t
1
ữ t
2
khoá K mở, điện áp tải bằng 0.
Dòng điện tải cũng có dạng nh điện áp tải.
Trị số trung bình điện áp một chiều đợc tính
1.1.2.1 :Băm áp một chiều song song
a) Sơ đồ
12
1
1
0
1
.
1
1
U
T
t
dtU
T
U
ck
t
CK
TB
==
Trong sơ đồ này, tải đợc mắc song song với khóa K
Hình1.9: Sơ đồ mạch băm áp một chiều song song
b) Nguyên lý làm việc
Hình1.10: Giản đồ thời gian
Khi khoá K đóng, dòng điện từ dơng nguồn qua R qua khoá K về âm nguồn,
không có dòng qua tải, điện áp và dòng điện tải bằng 0.
Dòng điện qua khoá K đợc xác định: i
S
= U
1
/R
Khi khoá K hở, dòng điện từ dơng nguồn qua R R
d
về âm nguồn
Dòng điện và điện áp tải đợc xác định:
13
d
d
d
d
T
R
RR
U
U
RR
U
i
+
=
+
=
11
;
t
t
t
T
CK
t
1
i
S
i
T
U
d
0
0ữt
1
- khoá K đóng
t
1ữ
T
CK
- khoá K hở
U
d
K
-
+
R
i
S
i
T
U
1
R
t
R
d
U
d
U
1
L
d
K
E
d
-
+
D
0
i
S
i
N
i
d
0
t
t
t
T
CK
t
1
i
S
i
N
U
d
0
1.1.2.3 Băm áp có hoàn trả năng lợng về nguồn
Trờng hợp này xét khi tải có sức điện động (ví dụ cấp điện một chiều về nguồn
tải thuần trở)
Trong khoảng thời gian 0 ữ t
1
khoá K đóng, có dòng điện i
s
chay theo đờng:
+E
d
R
d
K -E
d
Độ lớn dòng i
S
phụ thuộc vào độ lớn ủa E
d
.
Trong khoảng thời gian t
1
ữ t
2
khoá K hở, dòng điện chạy ngợc về nguồn chỉ tồn
tại khi E
d
> U
1
lúc đó có dòng i
N
đợc xác định:
d
d
N
R
UE
i
1
=
Hình 1.11: Băm áp có hoàn trả năng lợng về nguồn tải R+E
Xét trờng hợp khi tải điện cảm và có sức điện động (ví dụ động cơ làm việc ở
chế độ hạ tải
Hình 1.12: Băm áp có hoàn
trả năng lợng về nguồn tải R+E +L
14
b.
R
d
U
d
U
1
K
E
d
-
+
i
S
i
N
a.
0
t
t
t
t
2
t
1
i
S
i
N
U
d
0
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét