Bài giảng Điện tử công suất - Chương 2: Chỉnh lưu - Trần Trọng Minh

05/03/2011 1 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 •Các vấn đề chung về chỉnh lưu •6 sơ đồ chỉnh lưu cơ bản •Nguyên lý hoạt động •Tính toán các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 2 05/03/2011 2 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Chỉnh lưu là gì?  Bộ biến đổi biến điện áp xoay chiều, thường là lấy vào từ lưới điện, thành điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều.  Phụ tải điện một chiều rất đa dạng:  Các quá trình công nghệ, thường đòi hỏi nguồn một chiều với dòng điện rất lớn, từ vài trăm A đến hàng nghìn A, như công nghệ điện hóa mạ, điện phân, hàn hồ quang, ;  Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC;  Các bộ lọc bụi tĩnh điện, yêu cầu điện áp đến 120 kVDC, dòng điện đến vài A;  Các hệ thống kích từ tĩnh cho các hệ máy phát điện công suất lớn;  Bản thân bộ nguồn cho các thiết bị điện tử, viễn thông. 10/02/2011 3 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 4 05/03/2011 3 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản 10/02/2011 5 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Phân loại và tên gọi các sơ đồ chỉnh lưu:  số pha – sơ đồ van – có điều khiển hay không điều khiển (dùng điôt hay thyristor hay cả hai loại).  Ví dụ:  Sơ đồ chỉnh lưu 1-pha hình tia không điều khiển (dùng điôt)  Sơ đồ chỉnh lưu 3-pha cầu điều khiển hoàn toàn (dùng thyristor). 10/02/2011 6 05/03/2011 4 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Dựa vào các thông số cơ bản để có thể thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu hoặc đặt hàng mua, thuê chế tạo chỉnh lưu cho một ứng dụng cụ thể nào đó.  Thông số cơ bản thể hiện các đặc tính kỹ thuật chính của bộ chỉnh lưu (Main Technical Specification).  Các thông số cơ bản thể hiện qua điện áp chỉnh lưu yêu cầu:  Điện áp và dòng chỉnh lưu yêu cầu, (Ud, Id);  Hoặc điện áp và công suất chỉnh lưu yêu cầu, (Pd, Ud);  Các thông số cũng phải thể hiện qua điện áp xoay chiều phía lưới: số pha, cấp điện áp, tần số. Ví dụ: nguồn cấp lấy từ lưới điện 3x380V, 50 Hz hoặc một pha 220 V, 50 Hz. 10/02/2011 7 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Chia làm 4 nhóm:  1. Thông số xác định chất lượng của điện áp chỉnh lưu  Điện áp chỉnh lưu chỉ là các mảnh của điện áp xoay chiều phía lưới.  Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp lưới, n. n càng lớn càng tốt;  n thể hiện sự bằng phẳng của điện áp. 10/02/2011 8 Ví dụ n=3 05/03/2011 5 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  2. Nhóm các thông số liên quan đến van bán dẫn  Các thông số này cần thiết để lựa chọn van cho sơ đồ chỉnh lưu;  Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn.  Hai thông số cơ bản để lựa chọn van: Dòng trung bình qua van thể hiện qua dòng chỉnh lưu yêu cầu ID(Id).  Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van trong quan hệ với điện áp chỉnh lưu yêu cầu Ung,max(Ud). 10/02/2011 9 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  3. Nhóm các thông số liên quan đến máy biến áp  Các thông số này cần thiết để thiết kế, chế tạo hoặc đặt hàng máy biến áp. Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn về khả năng tận dụng công suất máy biến áp.  Công suất tính toán máy biến áp Sba(PD) (kVA). Sba xác định kích thước mạch từ máy biến áp (khối lượng sắt từ, kích cỡ cửa sổ, tiết diện mạch từ chính).  Tỷ số máy biến áp, điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp, kba, U1, U2. Các thông số này xác định số vòng dây cuốn. w1, w2.  Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp, thứ cấp MBA, I1, I2. Thông số này xác định tiết diện dây cuốn MBA.  Không phải chỉnh lưu nào cũng phải dùng MBA?  Khi đó S xác định công suất chỉnh lưu huy động từ lưới điện.  Dòng điện cho biết cần chọn kích cỡ dây cấp điện cho sơ đồ như thế nào. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ như aptomat hoặc thiết bị đóng cắt như công-tắc-tơ thế nào. 10/02/2011 10 05/03/2011 6 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  4. Nhóm các thông số liên quan đến ảnh hưởng của sơ đồ chỉnh lưu đối với lưới điện  Thành phần sóng hài của dòng xoay chiều đầu vào chỉnh lưu, thể hiện qua hệ số méo phi tuyến  Trong đó Ik giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc k, I1 là hiệu dụng sóng cơ bản.  Hệ số công suất cos, trong đó  là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp.  Khi công suất chỉnh lưu càng lớn thì ảnh hưởng của những thông số trên đến lưới điện càng nghiêm trọng. 10/02/2011 11 25 2 1 1 k k I I    2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu nghĩa là làm rõ các thông số cơ bản trên đây.  Không phải sơ đồ nào ta cũng chỉ ra tất cả các thông số cơ bản nhưng phương pháp và cách thức tính toán phải nắm được.  Để đơn giản cho người học một số giả thiết được sử dụng hoặc đưa vào dần dần. Ví dụ lúc đầu sẽ giả thiết lưới điện có công suất vô cùng lớn so với công suất chỉnh lưu yêu cầu nên nhóm thông số thứ tư sẽ chưa được đả động đến. 10/02/2011 12 05/03/2011 7 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ đơn giản nhất, rất ít ứng dụng thực tế.  Nhắc lại một số khái niệm về điện  Giải thích hệ thống kí hiệu thường dùng.  Phân tích nguyên lý hoạt động của một sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất.  Giả sử tải thuần trở Rt  Dòng điện lặp lại dạng như điện áp. 10/02/2011 13 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Giả sử điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp có dạng:  giá trị biên độ;  U là giá trị hiệu dụng.  góc pha, [rad];  tần số góc, [rad/S];  f: tần số điện áp lưới, [Hz].  Điện áp chỉnh lưu trung bình tính được như sau:  Dòng chỉnh lưu trung bình:  Điện áp ngược lớn nhất trên van: 10/02/2011 14 1 1 2 2 sin ; sin m m u U u U     1 2, m mU U 2mU U t  2 f   2 2 22 2 0 0 0 21 1 sin os 2 2 2 m m m d U U UU u d U d c                    2 22 m m d d t t I U UI R R      ,max 2 22 m ngU U U  05/03/2011 8 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ dùng thyristor, có ứng dụng trong các bộ điều khiển kích từ các máy phát điện nhỏ.  Tải là cuộn dây kích từ, có điện cảm lớn.  Sơ đồ phải có điôt D0, gọi là điôt không (free wheeling diode) để khép kín đường dòng điện khi thyristor V khóa lại. 10/02/2011 15 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Khái niệm về góc điều khiển , góc chậm pha của tín hiệu điều khiển so với thời điểm điện áp nguồn qua không.  Khi  = 0 sơ đồ hoạt động giống như chỉnh lưu dùng điôt.  Dòng điện có dạng phức tạp hơn:  Khi V thông:  Khi D0 thông:  Giải hệ p/t này, với lưu ý  Sẽ có dạng dòng điện như hình (b). 10/02/2011 16  2 sinmtt t t diL R i U t dt   0tt t t diL R i dt   2 2t ti i       05/03/2011 9 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt 10/02/2011 17 Sơ đồ nguyên lý. Xét hai loại tải (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. Đồ thị dạng dòng điện, điện áp; (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. Trong Điện tử công suất ta sẽ quan tâm chủ yếu đến 3 loại tải: R, RL, RLE 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt Khái niệm về tải tương đương hay tải tổng quát • Tải: bộ phận biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, quang năng. • Tải R: thể hiện điện năng biến thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, ánh sáng, không nhất thiết phải là điện trở. • Tải RL: thành phần điện cảm thể hiện có quá trình trao đổi giữa điện và từ. Điện cảm là kho từ, có tính chất là dòng điện qua nó không thể đột biến được. • Tải RC: tụ điện thể hiện điện biến thành điện. Tụ là kho điện, có tính chất là điện áp trên nó không thể đột biến được. • Tải RLE: sức điện động E thể hiện nguồn điện, có bản chất khác điện. Ví dụ s.đ.đ của động cơ có bản chất cơ năng, s.đ.đ của acquy có bản chất hóa năng. 10/02/2011 18 05/03/2011 10 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Điện áp chỉnh lưu trung bình:  Các thông số của van:  Dòng trung bình qua điôt:  Điện áp ngược lớn nhất trên van:  Các thông số của MBA :  Điện áp thứ cấp MBA:  Điện áp sơ cấp MBA: 10/02/2011 19   2 0 2 0 2 2 2 1 sin 1 2 2 2cos 0,9 m d m m U U d U U U U                 2 d D II  ,max 2 22 2 2 m ngU U U  2 2 2 d U U 1 2 2 2ba ba d U k U k U  2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Các thông số của MBA:  Dòng chỉnh lưu trung bình biểu diễn qua giá trị biên độ có dạng giống như điện áp:  Dòng điện thứ cấp MBA:  Dòng điện sơ cấp MBA: 10/02/2011 20  2 22 2 0 0 2 2 1 1 cos2sin 2 22 2 2 42 m m m m d II I d d II I                       2 2 2 2 m d dI I hay I I     1 2 1 1 2 2 2 2 m m d ba ba II II k k     05/03/2011 11 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Các thông số của MBA:  Công suất tính toán MBA:   10/02/2011 21 1 2 2ba S SS  2 2 2 22 2 42 2 4 2d d d S U I U I P     2 1 1 1 82 2 2 2 d ba d d ba IS U I k U P k       2 2 21 1 1 1,48 2 8 4 24 2 2ba d d d S P P P               Biểu thức này nói lên rằng công suất tính toán của MBA phải gấp rưỡi lần công suất chỉnh lưu yêu cầu Nói cách khác là sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia huy động công suất gấp 150% công suất tiêu thụ Nói một cách khác nữa là sơ đồ này sử dụng MBA rất kém (so với các sơ đồ khác sau đây). 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải RL  Điện áp chỉnh lưu, giống như ở sơ đồ tải thuần trở:  Dòng thứ cấp MBA:  Dòng sơ cấp MBA:  Công suất tính toán MBA: 10/02/2011 22 2 2 2 2 2 2 0,9mdU U U U      22 0 1 2 2 d d II I d      22 1 0 1 2 d d ba ba I II d k k            1 1,34 2 2 2 2ba d d S P P        05/03/2011 12 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor 10/02/2011 23 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (a) Tải thuần trở; (b) tải trở cảm; (c) Tải RLE.  22 2 0 1 sin cos 2 1 cos 1 cos 2 2 m m d m d UU U d U U                               Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu. Khi 0p thì Ud=Ud0-0. 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải trở cảm  Với tải RL giả thiết L=, nghĩa là dòng tải được là phẳng hoàn toàn, các bước phân tích sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều.  Do dòng tải liên tục mỗi van sẽ dẫn 180.  Điện áp chỉnh lưu có phần âm do van không thể khóa lại nếu dòng qua nó chưa về không và van kia chưa mở ra. 10/02/2011 24  22 2 0 1 sin cos 2 cos cos m m d m d UU U d U U                       Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu. Khi 0p/2 thì Ud=Ud0-0. Biểu thức đúng với mọi sơ đồ chỉnh lưu nếu dòng tải là liên tục. 05/03/2011 13 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE  Tải RLE là dạng tải phức tạp nhất.  Không thể dùng giả thiết đơn giản L= được nữa vì ảnh hưởng của s.đ.đ có thể làm cho dòng tải nhỏ, không thể duy trì dòng liên tục nữa.  Phải xét 3 chế độ làm việc:  1. Dòng tải liên tục mỗi van sẽ dẫn 180.  2. Dòng tải gián đoạn, góc dẫn của van <p.  3. Chế độ tới hạn, giữa chế độ dòng tải liên tục và dòng gián đoạn, mỗi van sẽ dẫn 180. 10/02/2011 25 Liên tục Tới hạn Gián đoạn 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE  Phân tích áp dụng cho trường hợp tổng quát đối với các chỉnh lưu n-pha.  Các chế độ dòng điện phụ thuộc vào các thông số của sơ đồ: góc điều khiển, các thông số của tải Ld, Rd.  Góc điều khiển quy đổi về thời điểm điện áp nguồn qua 0, n là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu:  Các thông số của tải: 10/02/2011 26 2 n            2 2 d dZ R L  d d d dX LQ R R    arctgQ  Tiếp theo tính toán theo 3 chế độ dòng điện 05/03/2011 14 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE (1) Chế độ dòng liên tục  Góc dẫn của van  Tính toán theo biểu thức: (2) Chế độ dòng gián đoạn  Giải phương trình siêu việt để xác định góc dẫn của van:  Sau đó tính toán điện áp chỉnh lưu theo biểu thức: 10/02/2011 27 2 / n  0 d cos , . d d d d d U U U EI R          2 sin sin 1Q Qdm d E Ze e U R                         2 2cos cos2 m d d nU U E n                      2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE (3) Chế độ tới hạn  Tính toán góc điều khiển tới hạn:  Chế độ dòng liên tục khi:  Chế độ dòng gián đoạn khi: 10/02/2011 28   2 2 2 2sin sin 1nQ nQdth th m d E Ze e n U R                           th    th    05/03/2011 15 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Chỉnh lưu cầu một pha  Rất nhiều điểm giống sơ đồ tia:  Dạng điện áp chỉnh lưu  Dạng dòng qua các van  Được ứng dụng rộng rãi  Khác sơ đồ tia ở dạng điện áp trên van  Có thể dùng MBA hoặc không 10/02/2011 29 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Điện áp chỉnh lưu  Dòng I2  Dòng I1  Công suất tính toán MBA  Điện áp trên van: 10/02/2011 30 2 2 2 2 2 2 0,9 m d U UU U      2 1 22 2 2 2 m d d d II I I    1 2 1 1 2 2 dba ba I I I k k    2 | 1 2 2 2 d 1,2342 2 2 2ba d d d S S S U I U I P P        ,max 2 22 m ngU U U  Ung,max chỉ bằng một nửa so với sơ đồ hình tia 05/03/2011 16 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R, RL 10/02/2011 31 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R, RL 10/02/2011 32 0 1 cos 2d d U U   0 cosd dU U  05/03/2011 17 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.3 Sơ đồ không đối xứng RL  Dạng không đối xứng:  Dùng ít van điều khiển, mạch điều khiển đơn giản hơn.  Lợi về hệ số công suất cao hơn.  Có hai dạng chính, sơ đồ (a) và (b).  Sơ đồ (a) được dùng nhiều hơn vì có thể điều khiển van trực tiếp, không cần cách ly. 10/02/2011 33 Van có catot chung nên có thể điều khiển trực tiếp 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.3 Sơ đồ không đối xứng, tải RL 10/02/2011 34 0 1 cos 2d d U U   Sơ đồ cho lợi thế về hệ số công suất so với sơ đồ điều khiển hoàn toàn / 2  Điện áp chỉnh lưu trung bình: 05/03/2011 18 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Sơ đồ cơ bản, từ đó xây dựng nên các sơ đồ nhiều pha, đáp ứng công suất lớn.  Khi công suất yêu cầu lớn bắt buộc phải dùng sơ đồ ba pha:  Chất lượng điện áp tốt hơn;  Dòng xoay chiều đầu vào có dạng tốt hơn (thành phần sóng hài bậc cao thấp).  Không làm mất cân bằng pha.  Sơ đồ nhiều pha là các tổ hợp song song hoặc nối tiếp các sơ đồ tia ba pha (3-pha, 6-pha, 12- pha, 24-pha, 36-pha ).  Sơ đồ nguyên lý: 10/02/2011 35 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Hệ thống điện áp 3 pha, có thể biểu diễn qua hàm sin hoặc hàm cos:  Điện áp dây:  Biểu diễn hệ thống 3 pha thuận tiện bằng biểu đồ vector: 10/02/2011 36 1 1 1 sin , 2sin , 3 2sin . 3 m A m B m C u U u U u U                   120 120 120 ; ;... AB A B BC B C U U U U U U           05/03/2011 19 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu  Quy tắc xác định van dẫn:  Catot chung: van nào có anot dương nhất sẽ dẫn;  Anot chung: van vào có catot âm nhất dẫn.  Bảng xác định van dẫn và sự hình thành điện áp chỉnh lưu. 10/02/2011 37  Pha ++ Van dẫn ud 1 - 2 ua D1 ua 2 - 3 ub D2 ub 3 - 4 uc D3 uc n=3 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Tính điện áp chỉnh lưu trung bình, áp dụng cho chỉnh lưu n-pha tổng quát:  Áp dụng cho chỉnh lưu tia 3-pha: n=3,  Các thông số của van:  Dòng trung bình: ID=Id/3  Điện áp trên van bằng biên độ của điện áp dây: 10/02/2011 38 Dạng điện áp chỉnh lưu n-pha m 2U n   n   θ 2   2    2 2 2 1 cos d sin sin2 2 n m m mn d n n n nU U U U n n                       2 2 2 2 3 3 3 3 6sin 1,17 3 2 2 m m dU U U U U         , ax 2, 22 6 m ng m l lU U U U   05/03/2011 20 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Tính toán các thông số MBA:  Dòng thứ cấp MBA:  Tính toán dòng sơ cấp phức tạp hơn, ví dụ khi D1 dẫn: 10/02/2011 39 Mạch từ MBA 3 pha 3 2 2 m d dI I  2 3 2 m d dI I     3 32 2 3 3 3 3 1 cos 2cos 0,58 2 2 2 m m d d dI I d I d I                     1 2 1 1 1 w w w 0 w w 0. A a B B C i i i i i      0A B Ci i i  2 1 w2 2 1; . 3 w 3 3A a ba a B C ba a i i k i i i k i     Phương trình cân bằng sức từ động Phương trình cân bằng dòng điện 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Tính toán các thông số MBA:  Dòng sơ cấp MBA  Công suất tính toán MBA: 10/02/2011 40 Công suất MBA gấp 1,35 lần công suất chỉnh lưu yêu cầu.  21 1 1 3 3 12 0,47 2 4 3 2A d dba ba I i d I I k k                  1 1 1 2 1 2 2 2 1 2 3 3 3 0, 47 1, 21 ; 1,17 3 3 0,58 1, 49 ; 1,17 1 1,21 1, 49 1,35 . 2 2 d ba d d d d d ba d d US U I k U I I P US U I I P S SS P P             05/03/2011 21 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng thyristor 10/02/2011 41 V1 V2 a b c ud id i1 Zt V3 A B C N R R L (a) (b) Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha thyristor, xét với hai loại tải. (a) Tải thuần trở; (b) Tải trở cảm. 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.2 Sơ đồ dùng thyristor  Xét tải thuần trở R  Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử trên sơ đồ với góc điều khiển =30.  Với sơ đồ 3 pha góc điều khiển tính từ các điểm chuyển mạch tự nhiên.  Với dòng tải liên tục,  Với dòng tải gián đoạn  Dải điều chỉnh: 10/02/2011 42 30   30   0 cosd dU U  30   2 2 6 3 3sin cos 1 . 2 2 6 m m dU U d U                        0 50 , 0 6 d d U U       05/03/2011 22 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.2 Sơ đồ dùng thyristor  Xét tải trở cảm RL, L=.  Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử trên sơ đồ với góc điều khiển =45.  Trong mọi trường hợp điện áp chỉnh lưu có dạng:  Dải điều chỉnh: 10/02/2011 43 0 cosd dU U  45   00 , 02 d d U U       2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ quan trọng nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu:  Có ứng dụng thực tế rộng rãi.  Chất lượng điện áp ra tốt, dòng đầu vào có dạng đối xứng, khai thác tốt công suất huy động từ lưới hay là từ máy biến áp.  Sơ đồ cũng thường được dùng để nối trực tiếp với lưới điện ba pha mà không cần dùng máy biến áp.  Có thể coi chỉnh lưu cầu ba pha như một dạng mắc nối tiếp của hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha.  Các chỉnh lưu nhiều pha đều được cấu tạo từ các dạng nối khác nhau của sơ đồ nhiều pha cơ bản nhất, đó là chỉnh lưu tia ba pha. 10/02/2011 44 05/03/2011 23 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cấu tạo từ 6 điôt: D1, D2, D3 mắc catôt chung, D2, D4, D6 mắc anôt chung.  Thứ tự đánh dấu các van trên sơ đồ phù hợp với thứ tự vào làm việc của các van sau mỗi 60, với điều kiện điện áp pha đầu vào cung cấp theo đúng thứ tự pha A, B, C như hình vẽ.  Sơ đồ có thể dùng với máy biến áp hoặc không, tuỳ thuộc vào yêu cầu có cần phải phối hợp mức điện áp hay không. 10/02/2011 45 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu:  Bảng xác định van dẫn theo hai nhóm van catot chung và anot chung 10/02/2011 46  Pha dương nhất Pha âm nhất Van dẫn ud = ua ub D6, D1 uab ua uc D1, D2 uac ub uc D2, D3 ubc ub ua D3, D4 uba uc ua D4, D5 uca uc ub D5, D6 ucb .... .... .... ... ... 1 2  2 3  3 4  4 5  5 6  6 7  05/03/2011 24 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu:  Điểm P, catot chung, có thế là đường bao phía trên các đường điện áp pha.  Điểm Q, anot chung, có thế là đường bao phía dưới các đường điện áp pha.  Điện áp chỉnh lưu UPQ là các phần của điện áp dây, uab, uac, abc, uba,  Sử dụng công thức tính tổng quát cho trường hợp chỉnh lưu n-pha, với n=6: giá trị biên độ của điện áp dây.  Biểu diễn Ud qua điện áp pha: 10/02/2011 47 2, 2, 6 3sin 6 m m d l lU U U      2, m lU 2 2 2 3 3 3 6 2,34mdU U U U     N=6 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Tính toán thông số  Dòng thứ cấp MBA có dạng đối xứng nên dòng sơ cấp cũng như vậy, chỉ khác nhau về tỷ số MBA. Công suất tính toán của bên sơ và bên thứ bằng nhau.  Công suất tính toán MBA: 10/02/2011 48 Biểu thức cho thấy chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng MBA tốt nhất trong các sơ đồ. Công suất huy động chỉ hơn công suất chỉnh lưu yêu cầu 5% 3 m d dI I      6 62 2 6 6 2 1 1 1 34 cos 1 cos 2 2 3 2 0,816 . m m m d d d d I I d I d I I I                             1 2 2 23 1,05ba dS S S U I P    05/03/2011 25 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor  Nguyên lý hoạt động  Hai nhóm van (V1, V3, V5) và (V2, V4, V6) có thể coi như hai sơ đồ tia 3 pha. Góc điều khiển  tính từ các điểm chuyển mạch tự nhiên, là các điểm đường điện áp pha cắt nhau. Trong một chu kỳ có 3 điểm chuyển mạch tự nhiên phía trên và 3 điểm chuyển mạch tự nhiên phía dưới trên đồ thị điện áp pha. 10/02/2011 49 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R  Thế của P và Q so với 0 là dạng điện áp ra của một chỉnh lưu hình tia ba pha.  Điện áp giữa P và Q là dạng điện áp ra của chỉnh lưu cầu ba pha biểu diễn trên hệ thống điện áp dây uab, uac, ubc, ...  dòng ra tải là liên tục, điện áp chỉnh lưu bằng:  dòng id sẽ bằng 0 ở p trên đường điện áp dây khi điện áp này đổi cực tính, dòng tải sẽ là gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu:  Vùng điều chỉnh: 10/02/2011 50 0 60   0 cosd dU U  60    2,2, 3 3 2 33 sin cos 3 6 1 cos 3 m lm d l U U U d U                               0 20 , 0 3 d d U U       05/03/2011 26 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RL  Đồ thị biểu diễn dạng điện áp, dòng điện với góc điều khiển =75.  Gải thiết L=, dòng ra tải là liên tục, điện áp chỉnh lưu luôn có dạng:  Vùng điều chỉnh: 10/02/2011 51 0 cosd dU U  00 , 02 d d U U       2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.3 Điều khiển chỉnh lưu cầu  Trong chỉnh lưu cầu ba pha, tại một thời điểm bất kỳ, dòng phải chảy qua ít nhất là hai van, một thuộc nhóm catôt chung, một thuộc nhóm anôt chung.  Nếu điều khiển các tiristo bằng các xung ngắn thì sơ đồ sẽ không khởi động được hoặc không làm việc được trong chế độ dòng gián đoạn.  Điều khiển bằng hệ thống xung kép.  Điều khiển bằng xung rộng.  Băm xung có độ rộng lớn thành một chùm xung có độ rộng nhỏ hơn bằng cách trộn xung rộng với xung có tần số cao, cỡ 8-10 KHz, ứng với chu kỳ xung cỡ 100 – 125 S. Cách này gọi là điều khiển bằng xung chùm. 10/02/2011 52 05/03/2011 27 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Nếu sơ đồ cầu là dạng nối tiếp thì sơ đồ 6 pha, có cuộn kháng cân bằng là dạng nối song song hai sơ đồ tia 3 pha.  Nối tiếp: có lợi về điện áp. Song song: có lợi về dòng điện.  Cấu tạo: gồm máy biến áp động lực, cuộn kháng cân bằng Lcb, sáu điôt chia làm hai nhóm, D1, D3, D5 và D2, D4, D6.  Máy biến áp có cấu tạo Y/YY hoặc /YY, có hai hệ thống thứ cấp, ua, ub, uc và ua’, ub’, uc’, nối trung tính riêng biệt tại điểm P và điểm Q.  Hai trung tính P và Q nối với nhau thông qua cuộn kháng cân bằng Lcb. 10/02/2011 53 (ua, ua’), (ub, ub’), (uc, uc’) ngược pha nhau 180. Hệ thống điện áp ua, ub, uc và ua’, ub’, uc’ có thể coi là một hệ thống điện áp 6-pha. 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Cấu tạo của cuộn kháng cân bằng như một biến áp tự ngẫu. Ví dụ khi D1, D2 cùng dẫn, ta có mạch điện tương đương: 10/02/2011 54 ' , . NP a NM MP NQ c NM MQ u u u u u u u u          '2 NM a c MP MQu u u u u    MP QM MQu u u   ' ' ; 2 . a c NM d PQ Lcb PN NQ a c u uu u u u u u u u          Điện áp chỉnh lưu Điện áp trên cuộn kháng cân bằng 05/03/2011 28 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Điện áp chỉnh lưu là trung bình cộng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha, vì vậy có giá trị bằng:  Điện áp trên cuộn kháng uL,cb=uPQ gần như các xung răng cưa, tần số bằng ba lần tần số điện áp lưới, biên độ bằng .  Một cách gần đúng có thể coi uL,cb là hình sin với biên độ , dòng cân bằng cũng có dạng sin, chậm pha so với điện áp .  Cần hạn chế dòng cân bằng cỡ 5-10% Id, vì vậy có thể xác định giá trị cuộn kháng cần thiết:  Công suất của cuộn kháng cân bằng: 10/02/2011 55 2 2 3 6 1,17 2d U U U    2 1 2 mU 90 2 1 2 mU , 2 3 6 L cb cb cb cb U UI L L      2 6 0,1cb d UL I  , 2( / 2)( / 2) 0, 21L cb d dS U I P  2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng, dòng tải một chiều Id coi như được lọc phẳng và được chia đôi cho mỗi cầu chỉnh lưu. Vì vậy dòng một chiều qua mỗi điôt có giá trị biên độ bằng 1/2Id.  Dòng qua mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là tổng của dòng qua điôt và dòng cân bằng.  Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp bằng:  Dòng sơ cấp có dạng các xung chữ nhật đối xứng.  Công suất tính toán máy biến áp:  Thông số của van: 10/02/2011 56 2 0, 296 d d II I  1 1 1 0, 4 6 d d ba ba II I k k   1 1 1 13 3 0,4 1,03 1,17 d ba d d ba US U I k I P k    2 2 26 6 0, 29 1, 491,17 d d d US U I I P   1 2 1, 26 2ba d S SS P  1 6D d I I ,max 26ngU U 05/03/2011 29 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng 2.7.2 Sơ đồ dùng thyristor  Trên đồ thị thể hiện dạng điện áp, dòng điện trong sơ đồ với góc điều khiển =60.  Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng hai sơ đồ tia ba pha sẽ làm việc song song, độc lập với nhau. Theo mạch điện tương đương suy ra các biểu thức tính giá trị tức thời ud, uL,cb=uPQ :  Khi góc điều khiển  tăng lên, biên độ điện áp cân bằng tăng lên theo, đạt giá trị lớn nhất bằng biên độ điện áp khi .  Cần lưu ý đảm bảo công suất của cuộn kháng cân bằng phù hợp với dải điều chỉnh. 10/02/2011 57 60   60    ' 1 2 a c u u 1 2 , 1 2 , 2 . d d d L cb d d u uu u u u      90  2 mU Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Các sơ đồ hình tia cho lợi thế về dòng điện.  Dòng chỉ chạy qua một van nên tổn thất trên van nhỏ.  Phù hợp với các yêu cầu điện áp chỉnh lưu thấp, dòng chỉnh lưu lớn.  Các sơ đồ cầu cho lợi thế về điện áp.  Với cùng điện áp chỉnh lưu yêu cầu điện áp trên van chỉ bằng một nửa so với sơ đồ hình tia.  Tổn thất trên van lớn vì dòng phải chạy qua hai van một lúc.  Phù hợp với tải yêu cầu điện áp cao, dòng tương đối nhỏ.  Các sơ đồ 3 pha cho công suất lớn.  Các sơ đồ một pha chỉ phù hợp với công suất dưới 5 kW. 10/02/2011 58 05/03/2011 30 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Đọc kỹ lại tài liệu bài giảng Điện tử công suất.  Làm các bài tập phần chỉnh lưu! 10/02/2011 59