Tài liệu GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 2.1. Chỉnh lưu một pha Bộ chỉnh lưu một pha được chia thành hai loại: chỉnh lưu một pha nửa sóng và chỉnh lưu một pha cả sóng. Trong các phần dưới đây, sẽ trình bày nguyên lý của các loại chỉnh lưu cũng như phân tích và so sánh các thông số được tổng kết ở bảng tổng hợp. Để đơn giản, ta coi các diode là lý tưởng, có nghĩa chúng có điện áp thuận bằng không thời gian phục hồi tính ngược cũng bằng không. Giả thiết này thông thường phù hợp với các trường hợp chỉnh lưu diode cho các nguồn xoay chiều tần số thấp và điện áp thuận rất nhỏ so với biên độ điện áp nguồn. Hơn nữa, giả thiết này cũng có nghĩa tải mang tính chất thuần điện trở và dạng sóng dòng và áp trên tải là tương tự. Phần 2.5 trình bày hệ thống lọc trong chỉnh lưu, và các ảnh hưởng của tải điện cảm cũng như điện dung được xem xét kỹ càng. 2.1.1. Chỉnh lưu một pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn giản nhất thể hiện trong hình 2-1, sử dụng duy nhất một diode, được cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp xoay chiều. Trong nửa sóng dương diode dẫn, nửa sóng âm diode không dẫn. Với giả thiết máy biến áp có trở kháng bằng không và do đó sóng nguồn xoay chiều có dạng sin, dạng sóng điện áp và dòng điện tải R, điện áp và dòng điện trên diode được thể hiện trên hình 2-5. Hình 2-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng Theo đồ thị dạng sóng điện áp, biên độ điện áp ngược (peak inverse voltage PIV) trên diode là Vm trong nửa sóng âm. Từ đó VRRM của diode phải được chọn lớn hơn Vm để tránh bị đánh thủng. Trong nửa chu lỳ dẫn, dòng điện thuận IF của diode chính là dòng điện qua tải nên IFRM phải được chọn lớn hơn dòng điện lớn nhất của tải. Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Bên cạnh đó, dây quấn thứ cấp máy biến áp chịu dòng điện một chiều,có thể gây nên hiện tượng quá bão hòa trong lõi thép. 2.2.2. Chỉnh lưu một pha cả sóng Có hai loại chỉnh lưu một pha cả sóng: chỉnh lưu với cuộn thứ cấp máy biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu. Nguyên lý chỉnh lưu với điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp được thể hiện trên hình 2-6. Từ sơ đồ có thể thấy mỗi diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc như một mạch chỉnh lưu nửa sóng. Đầu ra của hai mạch chỉnh lưu này kết hợp với nhau tạo thành mạch chỉnh lưu cả sóng cho tải. Hơn nữa dòng điện một chiều trong hai nửa chu kỳ bằng nhau và ngược chiều trên cuộn thứ cấp không gây nên các vấn đề liên quan đến bão hòa từ trong lõi thép. Dạng sóng của điện áp và dòng điện chỉnh lưu cả sóng trong hình 2-6. Theo đồ thị điện áp trên các diode vD1 và vD2, biên độ điện áp ngược trên mỗi diode là 2Vm. Do đó điện áp ngược cực đại lặp lại của diode VRRM phải được chọn lớn hơn 2Vm để tránh bị đánh thủng. Lưu ý, chỉnh lưu một pha cả sóng có điện áp một chiều gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa sóng. Khi dẫn, mỗi diode chịu dòng điện thuận bằng dòng điện tải, do đó IFRM phải được chọn lớn hơn biên độ dòng điện tải, Vm / R. Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng, cuộn thứ cấp có điểm giữa Chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu sử dụng 4 diode và không có điểm giữa của cuộn thứ cấp máy biến áp như trên hình 2-7. Trong nửa chu kỳ dương của cuộn thứ cấp, dòng điện chạy qua các diode D1 và D2. Nửa chu kỳ âm, D3 và D4 được dẫn điện. Dạng sóng dòng , áp của chỉnh lưu cầu được thể hiện trên hình 2-7. Giống như trường hợp chỉnh lưu cả sóng có điểm giữa máy biến áp, dòng điện thuận cực đại IFRM mỗi diode cần phải chọn cao hơn biên độ dòng điện tải Vm / R. Và biên độ điện áp ngược trên mỗi diode giảm từ 2Vm xuống còn Vm trong thời điểm không dẫn. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-7: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu 2.2.3. Thông số chỉnh lưu 2.2.3.1. Điện áp chỉnh lưu: Điện áp một chiều chính là điện áp trung bình trên tải được xác định theo biểu thức: 1T Vd   v L ( t )dt T0 (2-1) Trường hợp nửa sóng, theo đồ thị dạng sóng, điện áp vL(t) = 0 trong nửa sóng âm, chu kỳ tính theo góc ω = 2π = T, do đó điện áp trung bình trường hợp này: 1  Vd  Vm sin(t )dt 2  0 Vd  Vm   0,318Vm (2-2) (2-3) Trường hợp cả sóng, theo đồ thị dạng sóng, ta có v L ( t )  Vm sin t trong cả hai nửa sóng. Từ đó ta có biểu thức điện áp trung bình:  Vd   Vm sin(t )dt (2-4) 0 Vd  2Vm   0,636Vm (2-5) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Trị hiệu dụng của điện áp trên tải VL 1T 2 VL   v L ( t )dt T0 (2-6) Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, điện áp vL(t) = 0 trong nửa sóng âm: 1  2 VL   (Vm sin t ) dt 2 0 Vm  0,5Vm 2 Vd  (2-7) (2-8) Trường hợp chỉnh lưu cả sóng, v L ( t )  Vm sin t trong cả nửa dương và nửa âm của chu kỳ: 1 (V  VL  m sin t ) 2 dt (2-9) 0 Vd  Vm  0,707Vm 2 (2-10) 2.2.3.2. Dòng điện chỉnh lưu Dòng điện chỉnh lưu chính là dòng điện trung bình trên tải, trong khi tải thuần trở nên ta có: Id  Vd R (2-11) Trị hiệu dụng dòng điện trên tải IL  VL R (2-12) Trị số dòng điện chỉnh lưu một pha: Nửa sóng: Id  0,318Vm R 0,5Vm R 0,636Vm Id  R IL  Cả sóng: IL  0,707Vm R (2-13) (2-14) (2-15) (2-16) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.2.3.3. Tỷ số chỉnh lưu Tỷ số chỉnh lưu được dùng để đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị chỉnh lưu được tính theo biểu thức:  Pd Vd I d  PL VL I L (2-17) Nửa sóng: (0,318Vm ) 2   40,5% (0,5Vm ) 2 (2-18) Cả sóng: (0,318Vm ) 2   81% (0,707Vm ) 2 (2-19) 2.2.3.4. Hệ số hình dạng (Form Factor) Hệ số hình dạng được đinh nghĩa bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của dòng hoặc áp đối với trị số trung bình: FF  VL Vd (2-20) Nửa sóng: FF  0,5Vm  1,57 0,318Vm (2-21) Cả sóng: FF  0,707Vm  1,11 0,636Vm (2-22) 2.2.3.5. Hệ số gợn sóng (Ripple factor) Hệ số gợn sóng được xác định bằng biểu thức: RF  Vac Vd (2-23) Trong đó điện áp xoay chiều được xác định theo biểu thức Vac  VL2  Vd2 (2-24) 2 V  RF   L   1  FF2  1 V   d (2-25) Nửa sóng: RF  FF2  1  1,57 2  1  1,21 (2-26) Cả sóng: RF  FF2  1  1,112  1  0,482 (2-27) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.2.3.6. Hệ số sử dụng biến áp (Transfomer Utilization Factor) Hệ số sử dụng biến áp được xác định bằng tỷ số giữa công suất dòng điện chỉnh lưu với công suất toàn phần xoay chiều. TUF  Pd Vd I d  Pac Vs I s (2-28) Trong đó: Vs và Is – giá trị hiệu dụng của dòng và áp xoay chiều Vm (2-29)  0,707Vm 2 Giá trị dòng điện xoay chiều thứ cấp biến áp chính bằng giá trị hiệu dụng của dòng điện trên tải IL. Vs  Nửa sóng: Cả sóng: 0,5Vm R 0,707Vm Is  R Is  (2-30) (2-31) Do đó, TUF của chỉnh lưu nửa sóng có thể xác định bằng cách thay thế các biểu thức 2-3; 2-13; 2-29 và 2-30 vào biểu thức 2-28. 0,3182 TUF   0,286 0,707.0,5 (2-32) Giá trị hệ số TUF của chỉnh lưu nửa sóng rất nhỏ, có nghĩa dung lượng máy biến áp cần 3,496 (1 / 0,286) VA cho 1W công suất trên tải đầu ra. Ngoài ra cuộn thứ cấp còn phải tải dòng điện một chiều gây bão hòa từ trong lõi thép. Như vậy chỉnh lưu một pha nửa sóng chỉ áp dụng cho những trường hợp công suất và dòng điện nhỏ. Trường hợp cả sóng cuộn thứ cấp có điểm giữa, mạch điện tương đương với hai mạch nửa sóng làm việc song song, do đó công suất cuộn thứ cấp VsIs tăng gấp 2 lần. Tuy nhiên công suất chỉnh lưu ở đầu ra lại tăng gấp 4 lần do hệ số chỉnh lưu tăng như ở các biểu thức 2-5 và 2-15. Hệ số TUF của chỉnh lưu cả sóng với biến áp có điểm giữa được xác định từ biểu thức 2-32: 4.0,3182 TUF   0,572 2.0,707.0,5 (2-33) Trường hợp chỉnh lưu cầu, hệ số TUF cao nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu một pha, nguyên nhân là do dòng điện trong cả cuộn sơ cấp và thứ cấp đều ở dạng sin liên tục. Hệ số TUF: TUF  0,636 2  0,81 0,707 2 (2-34) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Công suất cuộn sơ cấp trong trường hợp chỉnh lưu cả sóng bằng chỉnh lưu cầu do dòng điện sơ cấp trong cả hai trường hợp đều là dòng điện sin liên tục. 2.2.3.7. Sóng hài Chỉnh lưu cả sóng với tải điện trở không gây ra sóng hài bâc cao ở dòng điện xoay chiều trong máy biến áp. Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, sóng hài xuất hiện với biên độ xác định theo tỉ lệ với thành phần cơ bản được trình bày trong bảng 2-1. Những tổn hao liên quan đến sóng hài dòng điện trong chỉnh lưu với tải điện trở thường bị bỏ qua bở chúng không lớn hi so sánh với các tổn hao khác. Tuy nhiên với các tải phi tuyến, sóng hài là nguyên nhân gây nên tổn hao đáng kể và các vấn đề như hệ số công suất thấp. Bảng 2-1: Tỉ lệ sóng hài bậc cao trong chỉnh lưu nửa sóng tải thuần trở Bậc sóng hài 2 3 4 5 6 7 8 Tỉ lệ % so với sóng cơ bản 21,2 0 4,2 0 1,8 0 1.01 2.2.4. Thông số thiết kế Trong thiết kế, mục đích thường là thông số dòng điện chỉnh lưu đầu ra chủ yếu là điện áp Vd, chính vì vậy để thuận lợi ta đưa các công thức về dạng tham số là Vd. Đối với dòng điện xoay chiều thì giá trị hiệu dụng (Vs) được sử dụng phổ biến và thuận lợi hơn so với biên độ (Vm). Quan hệ giữa trị hiệu dụng và biên độ của đại lượng xoay chiều sin theo biểu thức Vm  2Vs - Điện áp thứ cấp hiệu dụng: Nửa sóng: Vs  2,22Vd (2-35) Cả sóng: Vs  1,11Vd (2-36) - Điện áp ngược cực đại lặp lại (VRRM): Nửa sóng: VRRM  Vm  Vd  3,14Vd 0,318 (2-37) Trường hợp cả sóng dùng sơ đồ cuộn thứ cấp có điểm giữa: VRRM  2Vm  2Vd  3,14Vd 0,636 (2-38) Trường hợp cả sóng mạch cầu: VRRM  Vm  Vd  1,57Vd 0,636 (2-39) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng - Dòng điện thuận cực đại lặp lại (IFRM) Nửa sóng: I FRM  I Vm  d  3,14I d R 0,318 (2-40) Cả sóng: I FRM  I Vm  d  1,57I d R 0,636 (2-41) Thông số thiết kế chỉnh lưu một pha được tổng kết trong bảng 2-2. Bảng 2-2: Thông số thiết kế chỉnh lưu một pha Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr 3.14Vdc 2.22Vdc 1.00Idc 3.14IF(AV) 1.57Idc Cả sóng (cuộn thứ cấp có điểm giữa) 3.14Vdc 1.11Vdc 0.50Idc 1.57IF(AV) 0.785Idc 1.57 1.57 1.57 0.405 1.57 1.21 2.69Pdc 3.49Pdc 1fi 0.81 1.11 0.482 1.23Pdc 1.75Pdc 2fi 0.81 1.11 0.482 1.23Pdc 1.23Pdc 2fi Nửa sóng Cả sóng (mạch cầu) 1.57Vdc 1.11Vdc 0.50Idc 1.57IF(AV) 0.785Idc 2.3. Chỉnh lưu ba pha Các bộ chỉnh lưu một pha chỉ được áp dụng khi công suất nhỏ, đối với các tải công suất lớn hơn 15kW phải sử dụng các bộ chỉnh lưu ba pha hoặc nhiều pha. Bộ chỉnh lưu ba pha có hai loại: chỉnh lưu tia và chỉnh lưu cầu. 2.3.1. Chỉnh lưu tia ba pha 2.3.1.1. Chỉnh lưu tia ba pha cơ bản Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản được vẽ trên hình 2-8, có thể thấy rằng sơ đồ này tương đương với 3 sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng làm việc cùng nhau. Trong một số trường hợp còn được gọi là chỉnh lưu ba pha nửa sóng. Diode trên mỗi pha dẫn khi điện áp trên pha có diode cao hơn hai pha còn lại. Dạng sóng điện áp mỗi pha và trên tải được thể hiện trong hình 2-8. Không giống như trong chỉnh lưu một pha góc dẫn mỗi diode là π, ở đây góc dẫn chỉ là 2π/3. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Xét pha u1, diode dẫn trong khoảng π/6 ÷ 5π/6, điện áp trung bình 5 / 6 Vd  3 2 Vd  3 3 Vm  0,827Vm  2  Vm sin t.dt (2-42)  /6 (2-43) Hình 2-8: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản Giá trị hiệu dụng: 3 VL  2 5 / 6  Vm sin t  dt  0,84Vm (2-44)  3    3 4    (2-45) 2  /6 Hoặc VL  Vm 3 2 Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp: Is  I m 1 2  3     3 4   0,485.I m   (2-46) Trong đó: Im = Vm / R Các thông số thiết kế của chỉnh lưu tia ba pha nửa sóng được liệt kê trong bảng tổng hợp về chỉnh lưu ba pha. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Bảng 2-3: Thông số chỉnh lưu ba pha Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr Tia ba pha kép Cầu ba pha 2.092Vdc 0.855Vdc 0.333Idc 1.06Vdc 0.855Vdc 1.05Vdc 0.428Vdc 0.167Idc 0.333Idc 3.63IF (AV) 0.587Idc 3.15IF (AV) 0.293Idc 3.14IF (AV) 0.579Idc 1.76 1.76 1.74 0.968 1.0165 0.182 1.23Pdc 1.51Pdc 3fi 0.998 1.0009 0.042 1.06Pdc 1.49Pdc 6fi 0.998 1.0009 0.042 1.05Pdc 1.05Pdc 6fi Tia ba pha 2.3.1.2. Chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa Hiện tượng quá bão hòa từ trong lõi thép máy biến áp đối với chỉnh lưu tia ba pha có thể được khắc phục bằng cách bố trí dây quấn đặc biệt của cuộn thứ cấp, được biết đến là cách nối dây zic-zắc. Chỉnh lưu loại này được gọi là sơ đồ chỉnh lưu ba pha có điểm giữa hoặc sơ đồ chỉnh lưu zíc-zắc, như trong hình dưới đây. Mỗi dây quấn thứ cấp được chia làm 2 phần lệch nhau π / 3 nối tiếp, như vậy từ trường do dòng điện một chiều trên hai phần dây quấn thứ cấp trong mọi thời điểm bằng nhau và ngược chiều. Với việc bố trí thêm trên cuộn thứ cấp (nâng hệ số yêu cầu công suất từ 1.51 lên 1.74 VA/W), sơ đồ này hạn chế ảnh hưởng hiện tượng bão hòa trong lõi thép và hạ hệ số yêu cầu công cuộn sơ cấp xuống mức thấp nhất 1.05 VA/W. Ngoài thông số hệ số yêu cầu công suất, tất cả các thông số chỉnh lưu của sơ đồ này giống như đối với chỉnh lưu tia ba pha (do đó không được liệt kê trong bảng tổng hợp chỉnh lưu ba pha). Hơn nữa đối với cách nối dây sơ cấp hình sao không dùng trunh tính được cho phép do tổng dòng điện các pha mọi thời điểm luôn bằng không. Hình 2-9: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển 2.3.1.3. Chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối giữa các trung tính Sơ đồ chỉnh lưu loại này chủ yếu kết cấu từ hai mạch chỉnh lưu tia ba pha, trong đó các điểm trung tính, của hai cụm ba pha thứ cấp nối Y, được liên kết thông qua một máy biến áp hoặc cuộn điện kháng (hình 2-10). Cực tính của hai cụm dây quấn nối Y ngược nhau, do đó nếu điện áp chỉnh lưu của một cụm đạt cực tiểu thì điện áp chỉnh lưu của cụm kia đạt cực đại như trong hình 2-10. Với cấu trúc và hoạt động của chỉnh lưu loại này, điện áp chỉnh lưu vL là trung bình của hai bộ chỉnh lưu v1 và v2. Thêm đó, tần số gợn của sóng của điện áp đầu ra bằng 6 lần tần số nguồn xoay chiều và dung lượng bộ lọc (nếu cần) sẽ nhỏ hơn. Trong sơ đồ, dòng điện trong hai cụm ba pha ngược chiều nhau, do đó các ảnh hưởng của từ trường dòng điện một chiều bị loại bỏ. Sự đối xứng của dòng điện thứ cấp, dòng điện sơ cấp cũng có tổng các pha luôn bằng không, do đó dây quấn sơ cấp không cần nối trung tính. Hình 2-10: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối các điểm trung tính 2.3.2. Chỉnh lưu cầu ba pha Chỉnh lưu cầu ba pha thường được sử dụng khi có yêu cầu công suất cao do khả năng tận dụng cao nhất công suất máy biến áp. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được trình bày trong hình 2-11. Các diode được đánh số sao cho chúng tuần tự được dẫn trong mỗi góc 2π/3. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-11: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Trình tự dẫn của các diode: 12, 23, 34, 45, 56, 61… Dạng sóng điện áp và dòng điện được trình bày trên hình 2-11, trong đó điện áp dây gấp 1,73 lần điện áp pha. Ở đây cho phép sử dụng bất cứ cách nối (Y/Δ) cho dây quấn sơ cấp và thứ cấp do dòng điện trong cuộn thứ cấp đối xứng. Điện áp trung bình: 6 Vd  2 Vd  2 / 3   /3 3 3  3Vm sin t.dt Vm  1,654Vm (2-47) (2-48) Điện áp hiệu dụng VL  9 2 / 3 2  Vm sin t  dt  VL  Vm (2-49)  /3 3 9 3   1,655Vm 2 4 (2-50) Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp: Is  I m 2  3     0,78.I m 6 4    (2-51) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Giá trị hiệu dụng dòng điện qua diode ID  Im 1  3     0,552.I m 6 4    (2-52) Theo các biểu thức 2-48; 2-50; 2-51 và 2-52 cùng các thông số thiết kế quan trọng của chỉnh lưu tia ba pha được liệt kê trong bảng 2-3, điện áp một chiều chỉnh lưu lớn hơn nhiều so với biên độ điện áp pha hoặc 2,34 trị hiệu dụng. Điện áp ngược cực đại VRRM mỗi diode phải chịu chỉ lớn hơn điện áp một chiều dc 1,05 lần. Dòng điện thuận cực đại IFRM trên mỗi diode chỉ bằng 0,579 dòng điện một chiều. Như vậy, chỉnh lưu ba pha cầu có hiệu quả nhất và phổ biến khi có yêu cầu cao về cả dòng điện và điện áp một chiều. Trong nhiều thiết bị, chỉnh lưu cầu ba pha không cần có thêm mạch lọc do độ gợn sóng điện áp chỉ có 4,2%, nếu cần thiết phải dùng mạch lọc thì dung lượng lọc cũng nhỏ do tần số gợn sóng lớn gấp 6 lần tần số nguồn xoay chiều. 2.3.3. Hoạt động của bộ chỉnh lưu với giá trị nhất định điện cảm nguồn Như đã giả định ở phần trước, sự chuyển mạch của dòng điện từ diode này sang diode khác diễn ra ngay lập tức khi các van có điện áp phân cực thuận cần thiết. Trong thực tế, điều này khó xảy ra do nguyên nhân có lượng điện cảm nhất định gắn với nguồn. Với mục đích giải thích về tác động của điện cảm nguồn, sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với điện cảm tản máy biến áp được vẽ trên hình 2-12, trong đó L1, L2, L3 được biểu diễn cho điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp. Theo hình 2-12, khi điện áp vYN lớn hơn vRN và do điện cảm L1, dòng điện trên D1 không thể giảm xuống 0 ngay lập tức. Tương tự như vậy đối với với điện cảm L2, dòng điện trên D2 cũng không thể tăng ngay lập tức đến giá trị ổn định. Kết quả, cả hai diode cùng dẫn trong khoảng thời gian được gọi là góc đồng dẫn. Góc đồng dẫn sẽ làm giảm điện áp chỉnh lưu vL như trong hình 2-12. Nếu các điện cảm tản bằng nhau: L1 = L2 = L3 = Lc, thì lượng điện áp suy giảm có thể tính gần đúng bằng m.fi.Lc.Idc, trong đó: m – tỉ số của tần số gợn sóng với tần số nguồn xoay chiều. Ví dụ: chỉnh lưu tia ba pha từ nguồn xoay chiều 60Hz với dòng điện tải trung bình 50A, suy giảm điện áp một chiều đầu ra là 2,7V khi điện cảm tảm trên mỗi cuộn thứ cấp 300μH. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 2-12: Chỉnh lưu tia ba pha có thính đến điện cảm tản máy biến áp 2.4. Chỉnh lưu tia m-pha 2.4.1. Chỉnh lưu tia 6-pha Sơ đồ chỉnh lưu tia 6-pha được thể hiện trên hình 2-13. Để có 6 pha, ta nối điểm giữa các pha thành điểm chung. Do đo một số trường hợp thuật ngữ chỉnh lưu ba pha cả sóng được ưa thích hơn. Diode trên mỗi pha sẽ dẫn khi điện áp trên pha đó cao hơn các pha còn lại. Dạng sóng điện áp của mỗi pha được thể hiện trên hình 2-13. Rõ ràng có thể thấy, không giống như trường hợp chỉnh lưu tia ba pha, góc dẫn của mỗi diode chỉ là π/3 thay vì 2π/3. Dòng điện chỉ đi qua một van dẫn điện, do đó dòng điện trung bình có gia trị thấp, nhưng có tỉ lệ cao của biên độ so với giá trị trung bình và hệ số sử dụng cuộn thứ cấp máy biến áp thấp. Bên cạnh đó, dòng điện một chiều trong dây quấn cuộn thứ cấp có sự đảo chiều nên không cần tính tới hiện tượng quá bão hòa từ trong lõi thép tương tự như với chỉnh lưu cả sóng. Chỉnh lưu tia 6-pha hữu dụng với những thiết bị cần có độ gợn sóng thấp và có mạch anode hoặc cathode chung. Hình 2-13: Chỉnh lưu tia 6-pha Với điện áp chỉnh lưu do vRN trong khoảng từ π/3 đến 2π/3, điện áp trung bình chỉnh lưu được tính: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 6 Vdc  2 2 / 3  Vm sin  .d (2-53)  /3 Hoặc: Vdc  Vm 61  0,955Vm 2 (2-54) Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu được tính theo: 6 VL  2 2 / 3 2  (Vm sin  ) d (2-55)  /3 Hoặc: VL  Vm 6  3     0,956Vm 2  6 4    (2-56) Bên cạnh đó, trị hiệu dụng của dòng điện trên mỗi pha thứ cấp được tính: IS  I m 1  3     0,39I m 2  6 4    (2-57) Với Im = Vm / R Dựa trên các quan hệ 2-55, 2-56 và 2-57, tất cả các thông số thiết kế quan trọng của chỉnh lưu tia 6-pha được tính và liệt kê trong bảng 2-4. 2.4.2. Chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp Cách nối dây quấn thứ cấp Y và Δ tạo ra góc lệch pha π/6 giữa các điện áp đầu ra của máy biến áp. Khi các cụm dây quấn cuộn thứ cấp Y và Δ kết nối với cầu được mắc nối tiếp với nhau, kết hợp điện áp thứ cấp sẽ tăng tần số chỉnh lưu gấp đôi (12 lần của tần số nguồn). Độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu cũng giảm theo từ 4,2% (đối với chỉnh lưu một cầu) xuống còn 1%. Sơ đồ phối hợp hai cầu còn được gọi chỉnh lưu 6pha cầu nối tiếp. * Trong sơ đồ chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp, nếu coi Vm là biên độ điện áp của * dây quấn thứ cấp nối Δ và biên độ điện áp của dây quấn thứ cấp nối Y cũng là Vm . * Biên độ điện áp trên tải gọi là Vm sẽ bằng 2Vm cos(π/12) hoặc 1,932Vm bởi vì có sự lệch pha π/6 giữa các điện áp thứ cấp. Tần số chỉnh lưu (gợn sóng) gấp 12 lần tần số nguồn xoay chiều. Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu được tính theo: Vdc  12 7 / 12  Vm sin  .d 2 5 / 12 Hoặc: Vdc  Vm 12 3  1  0,989Vm  2 2 (2-58) (2-59) Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu được tính theo: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 12 7 / 12 2 VL   (Vm sin  ) d 2 5 / 12 Hoặc: VL  Vm 12   1      0,956Vm 2  12 4  (2-60) (2-61) Bên cạnh đó, trị hiệu dụng của dòng điện trên mỗi pha thứ cấp được tính: IS  I m 4   1     0,807I m   12 4  (2-62) Trị hiệu dụng dòng điện trên mỗi diode IS  I m 2   1     0,57I m   12 4  (2-63) Với Im = Vm / R Dựa trên các coong thức 2-59, 2.61, 2.62 và 2.63, Tất cả các thông số thiết kế quan trọng được liệt kê trong bảng 2-4. 2.4.3. Chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song Chỉnh lưu 6-pha mạch cầu nối tiếp, được mô tả ở phần trên, hữu dụng đối với những ứng dụng có yêu cầu điện áp cao. Tuy nhiên với yêu cầu dòng điện chỉnh lưu cao, chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song (với máy biến áp nối giữa) trong hình 2-14 được sử dụng. Chức năng của biến áp nối giữa, tạo ra điện áp chỉnh lưu vL bằng giá trị trung bình của điện áp v1 và v2. Giống như đối với chỉnh lưu mạch cầu nối tiếp, tần số chỉnh lưu của mạch cầu song song bằng 12 lần tần số nguồn xoay chiều. Do đó, lọc điện áp chỉnh lưu không cần thiết. Với sự cân bằng dòng điện chỉnh lưu ở hai mạch cầu (dòng điện theo hai chiều ngược nhau trong dây quấn của biến áp nối giữa) không sinh ra từ trường dòng điện một chiều. Tất cả các thông số thiết kế quan trọng của chỉnh lưu 6-pha mạch cầu song song được liệt kê trong bảng 2-4. Hình 2-14: Chỉnh lưu tia 6-pha GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng Bảng 2-4: Thông số thiết kế chỉnh lưu 6-pha với tải điện trở Thông số Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs Dòng điện trung bình Diode IF(AV) Dòng điện cực đại lặp lại IFRM Dòng hiệu dụng diode IF Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV) Hệ số chỉnh lưu Hệ số hình dạng FF Hệ số gợn sóng RF Công suất cuộn sơ cấp VA Công suất cuộn thứ cấp VA Tần số chỉnh lưu fr Tia 6-pha cầu nối tiếp Tia 6-pha cầu song song 0.524Vdc 0.37Vdc 1.05Vdc 0.715Vdc 6.28IF (AV) 0.409Idc 0.333Idc 3.033IF (AV) 0.576Idc 0.167Idc 3.14IF (AV) 0.409Idc 2,45 1,73 2,45 0,998 1,0009 0,042 1,28Pdc 1,81Pdc 6fi 1,00 1,0005 0,01 1,01Pdc 1,05Pdc 12fi 1,00 1,0005 0,01 1,01Pdc 1,05Pdc 12fi Tia 6-pha 2.09Vdc 0.74Vdc 0.167Idc 2.5. Hệ thống lọc của mạch chỉnh lưu Hệ thống lọc thường được áp dụng khi có yêu cầu đối với bộ chỉnh lưu về điện áp bằng phẳng trên tải. Các bộ lọc được phân thành các loại: lọc một chiều điện cảm và lọc một chiều điện dung. Lọc một chiều điện cảm được ưa thích với các chỉnh lưu có điện áp cao với nguyên nhân làm tăng hiệu quả làm việc máy biến áp trong khi giảm hệ số hình dạng FF của dòng chỉnh lưu. Lọc một chiều điện dung có thể tăng hiệu quả hoạt động, nhưng chúng có yêu cầu quá dòng khi bật và dòng đột biến lặp lại. Như vậy, bộ lọc một chiều điện dung chỉ thích hợp với các hệ thống có công suất nhỏ, trong đó có qui định chặt chẽ thường đạt được khi kiểm soát dòng thác điện tử trong chỉnh lưu. 2.5.1. Lọc một chiều điện cảm Bộ lọc đơn điện cảm đơn giản được trình bày trong hình 2-15a. Dòng điện chỉnh lưu có thể đạt giá trị ổn định nếu như giá trị điện cảm Lf đủ lớn (ωLf >> R). Hiệu quả lọc trường hợp tải nặng tốt hơn so với tải nhẹ. Nếu suy giảm gợn không có hiệu quả với các giá trị điện cảm tương đối lớn, cấu trúc L của bộ lọc như trong hình 2-15b sẽ được sử dụng. Trong thực tế, nhiều bộ lọc cấu trúc L được sử dụng đồng thời nếu như có yêu cầu về độ gợn đầu ra của chỉnh lưu rất nghiêm ngặt. Với sơ đồ bộ lọc điện cảm đơn giản như trong hình 2-15a, độ gợn sóng giảm v0 R  2 vL R 2  2f r Lf  (2-64) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Trong đó: vL – điện áp gợn trước khi lọc, v0 – điện áp gợn sau khi lọc, fr – tần số chỉnh lưu. Đối với bộ lọc điện cảm trong hình 2-15b, độ giảm gợn sóng điện áp được tính: v0 1  v L 1  2f r 2 Lf Cf Trong đó: fr – tần số chỉnh lưu, nếu R >> 2πfrCf Hình 2-15: Lọc một chiều điện cảm 2.5.1.1. Dạng sóng của dòng và áp với chỉnh lưu cả sóng lọc điện cảm Chỉnh lưu một pha cả sóng với bộ lọc điện cảm được vẽ trong hình 2-16a. Dạng sóng của dòng và áp được vẽ trong hình 2-16b.. Hình 2-16: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha cả sóng có lọc điện cảm Khi giá trị Lf vô cùng lớn, dòng điện trên điện cảm và điện áp chỉnh lưu không đổi. Khi giá trị Lf hữu hạn, dòng điện qua điện cảm có thành phần gợn sóng như đường chấm trên hình 2-16. Khi giá trị Lf quá nhỏ, dòng điện giảm xuống không (trở nên gián đoạn) trong những khoảng thời gian giữa các đỉnh của điện áp chỉnh lưu. Giá trị nhỏ nhất cảu điện cảm cần thiết để giữ cho dòng điện chỉnh lưu không gián đoạn được gọi là điện cảm tới hạn LC. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng 2.5.1.2. Điện cảm tới hạn LC Trường hợp chỉnh lưu một pha cả sóng, điện cảm tới hạn được tính theo: LC  R 6 .f i (2-66) Trong đó: fi – tần số nguồn xoay chiều. Trường hợp chỉnh lưu m-pha, điện cảm tới hạn được tính theo: LC  R 3 .m(m 2  1)f i (2-67) Trong đó: m – tỉ số giữa tần số gợn sóng thấp nhất và tần số nguồn xoay chiều, có nghĩa m = 6 đối với chỉnh lưu 3 pha mạch cầu. 2.5.1.3. Xác định giá trị điện cảm theo độ gợn sóng (RF) cho trước Trong thực tế, lựa chọ điện cảm lọc thường dự vào yêu cầu về độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu. Độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu có thể tính theo phân tích Fourier. Ví dụ, hệ số sóng hài bậc n của điện áp vL được tính theo: vL( n )   4Vm  (n 2  1) (2-68) Trong đó: n = 2, 4, 8… Thành phần một chiều của điện áp chỉnh lưu được tính từ công thức 2-5. Vì vậy, ngoài công thức 2-27, độ gợn cũng được tính theo:  1  RF  2   2  n  2 , 4 ,8..  n  1  2 (2-69) Nếu xét sóng hài bậc thấp nhất (n = 2), độ gợn sóng điện áp của bộ lọc điện cảm đơn giản (không có Cf) có thể tính theo công thức: Đã lọc: RF  0,4714 1  (4 .fi Lf / R ) 2 (2-70) 2.5.1.4. Sóng hài dòng điện nguồn xoay chiều Độ méo dạng tổng (THD) của dòng điện xoay chiều được định nghĩa 2 I  THD   s   1 I   s1  Trong đó: Is – giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn xoay chiều, Is1 – giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản của dòng điện nguồn. Độ méo dạng tổng THD cũng có thể tính theo GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Phạm Khánh Tùng I  THD    s ( n )    n  2 , 3, 4  Is1  2 (2-72) Trong đó: Isn – giá trị hiệu dụng của thành phần sóng hài bậc n của dòng điện nguồn xoay chiều. Hệ số công suất nguồn được tính theo công thức PF  Is1 cos Is (2-73) Trong đó: φ – góc lệch pha của thành phần cơ bản của dòng điện và điện áp nguồn. Như giả thiết, điện cảm Lf của mạch điện trong hình 2-16 có giá trị lớn. Dòng điện nguồn xoay chiều khi đó có dạng sóng vuông. Do đó có chứa các sóng hài bậc cao không mong muốn làm giảm hệ số công suất nguồn của hệ thống. Dòng điện nguồn có thể dễ dàng tính theo công thức is  4I m 1  sin 2 .fi t  n 1,3,5 n (2-74) Giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn và thành phần cơ bản tương ứng là Im và 4I m /  2 . Khi đó, độ méo dạng tổng THD dòng điện nguồn bằng 0,484; góc lệch pha giữa dòng và áp φ = 0, hệ số công suất 4/(π√2) = 0,9 Hệ số công suất sơ đồ trong hình 2-16 còn có thể nâng cao được bằng cách bổ xung thêm bộ lọc xoay chiều điện cảm giữa nguồn và chỉnh lưu, như trên hình 2-17a. Chỉ xem xét những thành phần sóng hài, mạch tương đương của hình 2-17a được thể hiện trên hình 2-17b. Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng hài dòng điện bậc n xuất hiện ở nguồn có thể tính theo qui tắc phân chia dòng điện Is ( n )  1 .I r ( n ) 2 1  2n .fi  Li Ci (2-75) Trong đó: Ir(n) – thành phần hài bậc n của dòng điện chỉnh lưu Áp dụng biểu thức 2-73 và đã biết Ir(n) /Ir1 = 1/n từ biểu thức 2-74, độ méo tổng THD của mạch chỉnh lưu có lọc nguồn trên hình 2-17 được tính theo biểu thức: 1 1 THD   2 n  3, 5 n 1  2n .f i  Li Ci 2 (2-76) Thông số thiết kế quan trọng của chỉnh lưu một pha và ba pha với lọc một chiều điện cảm trong bảng 2-5. Lưu ý, với chỉnh lưu một pha, cần có diode phóng điện, nối hai đầu bộ lọc một chiều giúp duy trì dòng điện trên tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn.