Đang tải... (xem toàn văn)
Ở chương trước chúng ta đã xét các mạch chỉnh lưu dùng điốt. Trong các mạch này ta không thể điều khiển (thay đổi theo ý muốn) trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu Udo.Trong chương này chúng ta sẽ thấy rằng cũng trong các mạch chỉnh lưu như vậy nếu thay các điốt bằng các tiristo thì ta sẽ dễ dàng điều khiển được Udo bằng cách thay đổi thời điểm mở của các tiristo.Điều này cho phép chúng ta dùng tiristo để điều khiển với hiệu suất rất cao các thiết bị dùng điện một chiều như các động cơ đ
Chơng 3 Chỉnh lu có điều khiển dùng Tiristo 3-1. Khái niệm chung ở chơng trớc chúng ta đã xét các mạch chỉnh lu dùng điốt. Trong các mạch này ta không thể điều khiển (thay đổi theo ý muốn) trị số trung bình của điện áp chỉnh lu U do . Trong chơng này chúng ta sẽ thấy rằng cũng trong các mạch chỉnh lu nh vậy nếu thay các điốt bằng các tiristo thì ta sẽ dễ dàng điều khiển đợc U do bằng cách thay đổi thời điểm mở của các tiristo. Điều này cho phép chúng ta dùng tiristo để điều khiển với hiệu suất rất cao các thiết bị dùng điện một chiều nh các động cơ điện một chiều , các lò điện, các máy hàn điện và các đèn chiếu sáng, v.v Nh ta đã biết ở chơng 1, điốt sẽ mở khi hiệu thế giữa anốt và catốt trở nên d- ơng (U AK > 0 ) còn tirito chỉ mở khi đồng thời thoả mãn cả 2 điều kiện : U AK > 0 và có tín hiệu dơng U GK hoặc I G tác dụng vào cực điều khiển G của tiristo. Do đó tiristo thờng mở chậm hơn điốt tơng ứng một góc nào đó. Góc này đợc gọi là góc mở chậm của tiristo , ta có : = (3.1) Trong đó: - tần số góc của dòng điện xoay chiều - thời gian tính từ thời điểm mở điốt tơng ứng ( U AK bắt đầu dơng ) đến thời điểm mở tiristo ( có tín hiệu điều khiển I G ). Trong các mạch chỉnh lu dùng tiristo đều đợc cung cấp từ nguồn điện xoay chiều một pha hoặc 3 pha . Do đó các tiristo chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá thờng bằng cáh tự nhiên. Điều này có nghĩa là mỗi tiristo sẽ khoá lại khi dòng điện qua nó đi qua trị số không, hoặc nó bị phân cực ngợc một cách tự nhiên theo quy luật của nguồn điện xoay chiều và tính chất phụ tải . 3-2. các chế độ cung cấp điện cho một phụ tải qua mạch chỉnh lu dùng tiristo . Khi cung cấp diện cho một phụ tải qua bộ chỉnh lu dùng tiristo ta có thể gặp 2 chế độ cung cấp sau đây: 3-2-1. Chế độ cung cấp gián đoạn : ở chế độ cung cấp này dòng điện qua phụ tải không liên tục . 26 Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu 1 pha một nửa chu kì nh Hình 3-1 Trong mạch này tiristo Th đợc điều khiển bằng các xung dòng điện i G xuất hiện chậm sau điện áp u một góc pha nào đó nh hình 3-1b. Khi có tín hiệu i G , tiristo sẽ mở, nên góc đợc gọi là góc mở chậm của tiristo. Khi tiristo mở thì điện áp ở 2 đầu phụ tải : tUuu md sin== còn dòng điện i d qua phụ tải đợc xác định từ phơng trình tUuRi dt di L md d sin==+ (3.1) Nghiệm của phơng trình này sẽ là : t L R m d Aet z U i += )sin( ( 3.2 ) Trong đó 22 )( LRz += - tổng trở phụ tải ( 3.3) R L arctg = A hằng số tích phân đợc xác định từ điêud kiện ban đầu. Căn cứ vào biểu thức này của i d ta có dạng đờng cong i d nh hình 3-1b. Tại góc pha nào đó i d giảm đến không và tiristo tự động tắt . Do đó đợc gọi là góc tắt của tiristo . Tiristo tiếp tục tắt cho tới thời điểm xung i G tiếp theo ở chu kì của điện áp u. Nh vậy trong mỗi chu kì của u dòng điện qua phụ tải i d chỉ tồn tại trong khoảng từ đến , còn từ đến 2 dòng điện i d = 0. Nói cách khác dòng điện qua phụ tải là một dòng điện gián đoạn. 3-2-2. Chế độ cung cấp liên tục : ở chế độ này dòng điện qua phụ tải là một dòng điện liên tục (luôn luôn lớn hơn không ) 27 u R L u d T u 1 u d u 2 u 2 2 1 2 Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kì nh hình 3-2a. Hình 3-2 Trong mạch này các tiristo T 1 và T 2 đợc điều khiển bằng các xung dòng điện i G1 và i G2 , ở mỗi chu kì xung điều khiển i G1 đợc cho trên cực điều khiển của T 1 chậm sau điện áp u 1 một góc , còn i G2 đợc cho trên cực điều khiển của T 2 chậm sau i G1 một góc nh hình 3-2b. Tại góc có i G1 và u 1 > 0 nên Th 1 mở : ( ) t L R m Thd Aet z U ii +== sin 1 ( 3.4) và có dạng nh đờng cong i Th1 hình 3-2b. Tại góc + , có i G2 và u 2 > 0 , T 2 mở. Khi T 2 mở u K = u A2 = u 2 . Điện áp trên tiristo lúc đó sẽ là : U A1K = u A1 u K = u 1 u 2 < 0, nên T 1 khoá lại , nh vậy sự mở của một tiristo sẽ dẫn đến sự khoá của một tiristo khác. khi tiristo T 2 mở , i d = i Th2 và có dạng giống nh i Th1 ở nửa chu kì trớc. Bây giờ ta hãy xem với điều kiện nào thì dòng điện i d qua phụ tải là liên tục , ta dễ dàng thấy rằng để i d liên tục thì ngay trớc khi mở Th 2 , dòng điện i d = i Th1 cha giảm đến không. Nói cách khác dòng điện i d ở các góc pha và + lớn hơn không. Ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) L R L R m L R md L R m d eAe z u AeUi Ae z U i + += ++++ += sin sin sin Vì ( ) ( ) dodd iii == + Nên ( ) ( ) ( ) + +=+ L R m L R m Ae z U Ae z U sinsin ( 3. 5 ) Từ đây ta rút ra : ( ) = L R m L R e z U Ae 1/sin 2 28 T 1 u 21 Tải u 22 u 1 T 2 u d i d i d u d 1 2 2 và ta có : )1( )sin( 2 )sin( L R mm do e z U z U i = + = = L R L R m L R m e e z U e z U 1 1 )sin( 1 2 1)sin( ( 3.6) vì 0 1 1 > + L R L R e e nên để i do >0 cần có 0)sin( < z U m Từ đó suy ra điều kiện để i do liên tục (i do > 0) là sin ( - ) < 0 hoặc < trong đó R L arctg = Nh vậy điều kiện để chỉnh lu một pha hai nửa chu kì làm việc ở chế độ cung cấp liên tục là góc mở chậm của tiristo : < 3-3. sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dùng tiristo Trong sơ đồ này ngời ta dùng 4 tiristo T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . Các tiristo này đợc điều khiển bằng các xung dòng điện điều khiển tơng ứng i G1 , i G2 , i G3 , i G4 . Thông thờng các xung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ trong hình 3-3a). 29 Hình 3.3 Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển Tải T 3 T 1 T 4 T 2 u d i d 1 2 u u d u 2 u 2 Mạch chỉnh lu đợc cung cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua biến áp với điện áp thứ cấp : u 2 = U 2m sint Các xung điều khiển i G1 , i G2 , i G3 , i G4 có cùng chu kì với u 2 nhng xuất hiện không đồng thời với u 2 . Các xung i G1 , i G3 xuất hiện sau u 2 một góc pha , còn các xung i G2 , i G4 xuất hiện sau u 2 một góc + (hình3-3b). Trong nửa chu kì đầu của u 2 , (0 t ), u 2 > 0, các tiristo T 1 và T 3 đợc phân cực thuận. Do đó tại t = (có i G1 và i G4 ), các T 1 và T 3 mở. Lúc đó dòng điện đi từ điểm A qua T 1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T 3 về điểm B. Các tiristo này mở cho đến lúc t = . Tại t = , u 2 = 0. Dòng qua tiristo cũng bằng không (vì ở mạch thuần trở dòng điện cùng pha với điện áp ) và tiristo tắt một cách tự nhiên. Trong thời gian các tiristo này mở ( t ) điện áp chỉnh lu (điện áp ở hai đầu phụ tải ) là: u d = u 2 = U 2m sint dòng điện qua phụ tải và tiristo T 1 là : t R U R u ii md Thd sin 2 1 === còn điện áp trên tiristo T 1 là u T1 = 0. Sang nửa chu kì hai của u 2 ( t 2) u 2 < 0, các tiristo T 2 và T 4 đợc phân cực thuận. Do đó tại góc pha + (có i G2 và i G4 ) các tiristo T 2 và T 4 mở, lúc đó dòng điện đi từ điểm B qua T 2 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T 4 về điểm A. Các tiristo này mở cho đến t = 2 . tại t = 2, u 2 = 0 dòng điện qua tiristo bằng không và tiristo tắt một cách tự nhiên. Trong thời gian các tiristo T 2 và T 4 mở, điện áp chỉnh lu. u d = -u 2 = -U 2m sint và dòng điện qua phụ tải và tiristo T 2 là : t R U R u ii md Thd sin 2 2 === với sự mở của T 2 và T 4 , u M = u B và u N =u A . Lúc đó điện áp trên các tiristo T 1 và T 3 sẽ là : 0 0 2 2 3 1 <=== <=== uuuuuu uuuuuu BABNT BAMATh 30 Do đó các tiristo T 1 và T 3 khoá lại (i Th1 = 0 ), nh vậy sự mở của một đôi tiristo sẽ dẫn đến sự khoá một cách tự nhiên đôi tiristo khác và các đờng cong biến thiên của u d , i d và u Th1 có dạng nh hình 3-3b. Từ đờng cong dòng điện i d ta thấy rằng trong mạch chỉnh lu này phụ tải đợc cấp điện theo chế độ gián đoạn. a) Các thông số của mạch chỉnh lu cầu một pha dùng thyristor khi phụ tải thuần trở. - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu = 2 0 2 1 ' tduU dodo ( 3.7) Từ đờng cong u d hình 3-3b, ta có : ( ) +== cos1sin 2 2 ' 2 2 m mdo U ttdUU ( 3.8) Trong đó U 2m biên độ điện áp thứ cấp của máy biến áp . Ta dễ dàng thấy rằng khi thay đổi từ 0 ữ thì U do thay đổi từ m U 2 2 đến 0. Do đó ta có thể điều khiển U do bằng cách thay đổi . - Điện áp ngợc cực đại trên mỗi tiristo U ngmax Từ đờng cong u Th1 hình 3-3b ta suy ra U ngmax = U 2m khi góc mở chậm của tiristo 2 Nếu 2 > thì U ngmax = U 2m sin - Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu do dd U uu K '2 minmax ' 0 = ( 3.9) Đối với mạch chỉnh lu này u dmin = 0, u dmax = U 2m khi 2 và u dmax = U 2m sin khi 2 > . Do đó khi 2 , ta có: Khi 2 > , ta có : 31 ( ) ( ) cos12 cos12 0 2 2 ' 0 + = + = m m U U K ( ) ( ) cos12 sin cos12 sin 2 2 ' 0 + = + = m m U U K - Giá trị trung bình của dòng điện qua phụ tải : ( ) cos1 2 ' +== R U R U I mdo d (3.10) - Trị số cực đại i max trị số hiệu dụng I và trị số trung bình i 0 của dòng điện qua mỗi tiristo . Từ đờng cong dòng điện i trên 3-3b ta có: = == tdiI R U ii Th m d 2 2 maxmax 1 2 1 (3.11) khi thay vào biểu thức này R tU i m Th sin 2 1 = ta nhận đợc : ( ) 2 ' cos1 22 1 cossin 2 0 2 1 dm Th m I R U tdiI R U I =+== + = ( 3.12) - Trị số hiệu dụng I 2 của dòng điện thứ cấp và công suất S của máy biến áp. ở mỗi nửa chu kì của điện áp u 2 , dòng điện qua cuộn dây thứ cấp chính là dòng điện qua các tiristo mở . Do đó: cossin 2 cossin 2 2 cossin 2 2 2 2 2 22 22 2 2 2 1 + = + == + == R U R UU IUS R U tdiI m mm m Th ( 3.13) - Hệ số công suất của mạch thứ cấp máy biến áp: ( ) ( ) cossin cos1 2 1 cossin 2 cos1 '' cos 2 2 2 2 2 2 2 2 2 + + = + + = == R U R U S IU S P m m ddod ( 3.14) 3.4 Mạch chỉnh lu cầu một pha không đối xứng Sơ đồ nguyên lý nh hình 3. 4 32 Tải R-L Khi = 1 cho xung điều khiển mở T 1 , trong khoảng 1 , 2 tiristor T 1 và điôt D 2 cho dòng chảy qua; khi u 2 bắt đầu đổi dấu, D 1 mở ngay, T 1 tự nhiên khoá lại dòng i d = I d chuyển từ T 1 sang D 1 . D 1 và D 2 cùng cho dòng chảy qua, U d = 0. Khi = 3 = + cho xung mở T 2 . Dòng tải i d = I d chảy qua D 1 và T 2 , điôt D 2 bị khoá lại. Trong sơ đồ này góc dẫn dòng của tiristor và điôt không bằng nhau. Góc dẫn dòng của điôt D = + Góc dẫn dòng của tiristor T = - Giá trị trung bình của điện áp tải: + == cos 22 sin2 1 2 dUU d ( 3.15) Dòng tải R U I d d = Sơ đồ dạng sóng đầu ra nh hình 3.4 3.4 Mạch chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor : Do điện áp ba pha u 1 , u 2 , u 3 lệch pha nhau 120 0 , do đó tại từng thời điểm mỗi pha có điện áp dơng hơn hai pha kia trong khoảng 120 0 . Việc cấp xung điều khiển chỉnh lu phải thoả mãn hia điều kiện: - Tại thời điểm cấp xung điện áp pha tơng ứng dơng - Nếu có các tiristor nào đó đang dãn thì điện áp pha tơng ứng phải dờn hơn pha kia, vì thế cần xét tới thời điểm cấp xung đầu tiên Sơ đồ nguyên lý nh hình vẽ: 33 T 1 i d Tải T 2 T 3 u d u 1 u 2 u 3 Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor T 1 T 4 D 1 D 2 u d i d Tải Hình 3. 4 Sơ đồ mạch chỉnh lu bán điều khiển u d i d I d 1 2 3.4.1 Hoạt đông của sơ đồ: Sơ đồ ba pha hình tia hoạt động và tạo nên điẹn áp chỉnh lu u d khác nhau tuỳ theo độ lớn của góc mở, tuỳ theo đặc tính của tải khi = 0 0 Các tiristor đợc cấp xung điều khiển lần lợt ngay tại giao điểm các điện áp pha. điện áp chỉnh lu sẽ cực đại bằng U m , còn điện áp ngợc cực đại khi tiristor bị khoá u mg max = 2 6U Khi < 30 0 Ví dụ trên hình 3.6b góc mở = 20 0 . Không phụ thuộc vào tính chất của điện áp tải và dòng điện chỉnh lu liên tục Tại 1 cấp xung điều khiển cho T 1 . Vì u dơng nhất nên T 1 mở, điện áp rơi trên tiristor có thể bỏ qua, điện áp trên tải bằng điện áp nguồn. Đến 2 cấp xung điều khiển 34 Hình3.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lu cho tiristor T 2 , lúc này u B dơng nhất nên T 2 mở. Khi T 2 đãn điện áp ngợc đặt lên T 1 là điện áp dây, do đó trị số điện áp ngợc cực đại là 2 6U Khi > 30 0 Tải thuần trở do có van đang dẫn sớm hơn thời điểm mở tiristor của pha kế tiếp, do đó có vùng các tiristor đều bị khoá 3.4.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lu Dạng sóng dòng điện chỉnh lu phụ phụ thuộc vào tính chất phụ tải thuần trở, dòng điện i d cùng dạng sóng u d (hình 3. 6a). Khi điện kháng tải tăng lên, dòng điện càng trở nên bằng phẳng và khi L D tiến tới vô cùng dòng điện một chiều sẽ không đổi (hình 3. 6d) Điện áp trung bình của tải đợc xác định theo biểu thức: cos 2 63 sin 2 23 2 3 3 U d U U d == + + ( 3.16) Trên hình 3. 6c ta nhận thấy điện áp áp u d thay đổi theo góc mở . Khi < 90 0 thì u d dơng và bộ biến đổi làm ciệc ở chế độ chỉnh lu. Khi > 90 0 thì u d âm và bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu, khi đó bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu và phát công suất cho nguồn. Để xác định công suất máy biến áp ta tính công suất sơ cấp: S 1 =3. U p1 . I p1 U p1 , I p1 là điện áp , dòng điện hiệu dụng sơ cấp Công suất thứ cấp: S 1 =3. U p2 . I p2 U p2 , I p là điện áp , dòng điện hiệu dụng thứ cấp 35 [...]... S2=1,48Pd 3.5 Mạch chỉnh lu cầu ba pha dùng tiristor Sơ đồ nguyên lý nh hình 3.7 Đây là chỉnh lu ba pha hai nửa chu kỳ với hai nhóm: T1, T3, T5 hình thành nhóm catôt chung; còn T2, T4, T6 hình thành nhóm anôt chung; Giả thiết T5 và T6 đang dẫn nên T1 T3 T5 ua ub uc id Tải T4 T6 T2 ud Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha dùng tiristor Tại 1 = /6 + cho xung điều khiển mở T1 Tiristor này sẽ mở... xung điều khiển mở T2 Tiristor này sẽ mở vì uB > 0 Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá một cách tự nhiên vì uB > uC Lúc ày T1 và T6 dẫn và điện áp trên tải là: ud = uB uC Các xung điều khiển lệch nhau /3 lần lợt đợc đa đến các cực điều khiển theo thứ nh sau: Thời điểm /6 + 3/6 + 5/6 + 7/6 + 9/6 + 11/6 + Mở T1 T2 T3 T4 T5 T6 Khoá T5 T6 T1 T2 T3 T4 Dạng sóng điện áp ra trên hình 3.8 36 Hình 3.8 Chỉnh. .. áp ra trên hình 3.8 36 Hình 3.8 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển a) dạng sóng khi góc mở nhỏ; b) Dạng sóng khi góc mở lớn Điện áp trung bình trên tải đợc tính theo công thức : Ud = 6 2U 2 5 + 6 sin d = + 6 3 6U 2 cos ( 3.17) Công suất định mức của máy biến áp : S1 = S2 =1,05.Pd Câu hỏi ôn tập 1 Trình bày nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lu có điều khiển: hình cầu một pha, hình cầu ba pha,... mức của máy biến áp : S1 = S2 =1,05.Pd Câu hỏi ôn tập 1 Trình bày nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lu có điều khiển: hình cầu một pha, hình cầu ba pha, hình tia ba pha 2 Nêu ứng dụng của các sơ đồ chỉnh lu 37 . vẽ: 33 T 1 i d Tải T 2 T 3 u d u 1 u 2 u 3 Hình 3. 5 Sơ đồ chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor T 1 T 4 D 1 D 2 u d i d Tải Hình 3. 4 Sơ đồ mạch chỉnh lu bán điều khiển u d i d I d 1 2 3. 4.1. i G1 , i G2 , i G3 , i G4 . Thông thờng các xung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ trong hình 3- 3a). 29 Hình 3. 3 Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển Tải T 3 T 1 T 4 T 2 u d i d . 6d) Điện áp trung bình của tải đợc xác định theo biểu thức: cos 2 63 sin 2 23 2 3 3 U d U U d == + + ( 3. 16) Trên hình 3. 6c ta nhận thấy điện áp áp u d thay đổi theo góc mở . Khi <