Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

1. Chương 3 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1
2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Dùng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều ngõ ra Các ứng dụng: ▪ Điều khiển công suất các tải điện trở ▪ Điều khiển chiếu sáng ▪ Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha & 3 pha, động cơ vạn năng ▪ Dùng trong các hệ thống bù nhuyễn. 2
3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần trở (tải R) oo Góc kích: 0 180 3
4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần trở (tải R) Trị hiệu dụng áp trên tải: Dòng trung bình qua SCR: 1 2 2 1 Um Um 1 2 IVAV = .sin x.dx = (1 + cos ) Utt= u. dx 2 R 2 R 2 1 Dòng hiệu dụng qua SCR: sin 2 2 UU=1 − + t It 2 IVRMS = 2 Trị hiệu dụng dòng qua tải: U I = t t R Hệ số công suất ngõ vào bộ biến đổi: 1 2 P U / R U sin 2 2 PF = = t = t = 1 − + S U.It U 2 4
5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Với góc kích : 2 5
6. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Với góc kích : 2 Trị hiệu dụng áp trên tải: 11 12 − 2 22 sin 2 Ut=( U msin) d = U m 1 − + 2 Trị hiệu dụng dòng qua tải: 1 1 132 − 2 U 2 I= i22 d =2 1 − 1 + 2cos + sin 2 tt ( ) L 6
7. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Trong ứng dụng với tải thuần cảm (L), thành phần hài cơ bản của dòng tải có ý nghĩa quan trọng & tính bởi công thức: U 21 I ( )(2sin=−+m 2 ) Lm(1)  L Với thành phần hài cơ bản, mạch hoạt động như một cảm kháng điều chỉnh được theo góc kích : U L X () ==m L I () 21 Lm(1) (2sin−+ 2 ) 7
8. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Với góc kích : 2 Điện áp tải = điện áp nguồn → Không thể điều khiển áp trên tải Biến thiên áp ngõ ra theo góc kích 8
9. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL Gọi =arctan(LR / ) : góc kích tới hạn Với : dòng tải gián đoạn & áp ngõ ra điều khiển được theo Với : dòng tải liên tục & áp ngõ ra không điều khiển được 9
10. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL Biến thiên áp ngõ ra theo góc kích 10
11. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL STT TAÛI PHAÏM VI TRÒ HIEÄU DUÏNG AÙP TRÒ HIEÄU DUÏNG DOØNG HEÄ SOÁ COÂNG GHI CHUÙ ÑIEÀU TAÛI TAÛI SUAÁT KHIEÅN 01 R 0 sin 2 U sin 2 sin 2 U. 1− + . 1− + . 1− + 2 R 2 2 02 L sin 2 U 3 U. 2(1− + ) . 2(1− )(1+ 2cos2 ) + sin 2 = 2 2 L 2 U vuøng khoâng 0 U 0 2 L ñieàu khieån ñöôïc aùp taûi 03 RL Ut ( ,R,L) It ( ,R,L) PF( , R, L) L = arctg R cos 0 U U vuøng khoâng R2 + (L)2 ñieàu khieån ñöôïc aùp taûi 11
12. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Cấu hình bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 12
13. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Phân tích hoạt động của BBĐ điện áp xoay chiều 3 pha khá phức tạp → thường sử dụng các chương trình mô phỏng Góc kích: ▪ Tải R: 0 5 6 ▪ Tải L: 2 5 6 ▪ Tải RL: arctan(LR) 5 6 Xung kích: Để đảm bảo kích dẫn các SCR, xung kích cần kéo dài trong khoảng → 76 13
14. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R, góc kích = 30o 14 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
15. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R, góc kích = 75o 15 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
16. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R, góc kích =120o 16 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
17. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R=10, L = 10mH, góc kích = 30o 17 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
18. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R=10, L = 10mH, góc kích = 75o 18 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
19. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Tải R=10, L = 10mH, góc kích =120o 19 Dạng sóng dòng, áp ngõ ra trên 1 pha
20. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Biến thiên điện áp hiệu dụng ngõ ra với góc kích 20
21. Công tắc xoay chiều Tên gọi tiếng Anh: Solid state relay, Semiconductor relay Có thể hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh, không gây phóng điện Có tổn hao trên linh kiện bán dẫn → Cần giải nhiệt Sử dụng trong: đóng ngắt động cơ, chuyển mạch nguồn cho lưới điện, chuyển mạch trong hệ thống UPS 21
22. Công tắc xoay chiều 1 pha 22
23. Công tắc xoay chiều 1 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 23
24. Công tắc xoay chiều 1 pha Điện áp nguồn Dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt không đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 24
25. Công tắc xoay chiều Điện áp nguồn Dòng tải Thời điểm tắt dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 25
26. Công tắc xoay chiều 3 pha 26
27. Công tắc xoay chiều 3 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha 27
28. Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển pha: ▪ Phương pháp thông thường: điều khiển kích dẫn theo góc kích → nhiều sóng hài điện áp ▪ Phương pháp chuyển mạch cưỡng bức: - Điều khiển kích dẫn & kích tắt - Điện áp ngõ ra có thể được điều khiển theo kiểu điều rộng xung → giảm sóng hài - Cần sử dụng các linh kiện có thể kích tắt (transistor, GTO ) hoặc SCR với mạch tắt cưỡng bức 28
29. Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time duty ratio control) Sử dụng contact xoay chiều, đóng ngắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero Chu kỳ đóng ngắt công suất cho tải: T = nTs (Ts: chu kỳ áp lưới) Kích đóng trong khoảng Tt = mTs (Tt T) T Điện áp hiệu dụng trên tải: UU= t t T 29
30. Ví dụ tính toán Ví duï 3.1: Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha caáp nguoàn cho taûi thuaàn trôû R=10. Nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu duïng baèng 220V, 50Hz. Goùc ñieàu khieån = [ rad ] 2 a. Tính trò hieäu duïng aùp taûi b. Tính coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi c. Tính heä soá coâng suaát d. Ñeå ñaït ñöôïc coâng suaát taûi baèng 4 kW, tính ñoä lôùn goùc kích e. Ñònh möùc linh kieän söû duïng 30
31. Ví dụ tính toán Giaûi: a. Trò hieäu duïng cuûa aùp taûi c. Heä soá coâng suaát nguoàn 1 ( boû qua toån hao treân SCR ) sin 2 2 P P P P Ut = 1 − + .U  = PF = t = t = t = t 2 U S U.I U.It U. t 1 R 2 sin 2. 2420 2  = = 0,707 = 1 − 2 + .220 = 155 ,56 [V ] 155 ,56 2. 220. 10 b. Coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi 2 2 2 1 1 ut 1 2 Pt = ut .i t .dX = .dX = .Ut 2 0 2 0 R R 155 ,56 2 P = = 2420 [W ] t 10 31
32. Ví dụ tính toán d. Khi Pt = 4 kW, ta coù: Ut = Pt .R = 4000 .10 = 200 [V ] . Treân ñaëc tính Ut( ), Ta xaùc ñònh goùc töông öùng vôùi Ut = 200V laø : = 0,99979[rad] hay =57,280 Ut (V) 250 200 150 100 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 32 Góc kích (rad)
33. Ví dụ tính toán e. AÙùp laøm vieäc lôùn nhaát cuûa SCR: UDWM = URWM = 220 . 2 = 311[V] Choïn heä soá an toaøn aùp: Ku = 2,5 ta coù tham soá SCR caàn choïn thoûa maõn ñieàu kieän: UDRM = URRM > 2,5.311 = 778[V] Trò trung bình doøng qua SCR ( =0): 1 2 1 2 .U.sin X IVAV = it .dX = .dX 2 0 2 0 R 2U 2 .220 I = = = 9,9[ A] VAV .R .10 Tròï hieäu duïng doøng qua SCR 1 2 2 2 1 2.U.sin X 2U 2.220 I RMS = .dX = = = 15,55[A] 2 0 R 2R 2.10 33
34. Ví dụ tính toán Ví duï 3.2 Coâng taéc xoay chieàu ba pha daïng ñaày ñuû maéc vaøo taûi theo caáu hình sao. Coâng suaát taûi P= 20kW, heä soá coâng suaát 0,707. Tính đđònh möùc aùp vaø doøng cho linh kieän. AÙp nguoàn coù trò hieäu duïng aùp daây 440V Lưu ý: Khi tính chọn SCR cần biết: - Điện áp ngược cực đại có thể đặt lên SCR, - Dòng trung bình , hoặc dòng hiệu dụng qua SCR. 34
35. Ví dụ tính toán Giaûi: Doøng ñieän qua moãi pha coù trò hieäu duïng: P 20000 I = = = 37,119[A] 3.U0.cos 3.440 .0,707 Doøng ñænh qua SCR: Im = 2.I = 2.37,119 = 52,5[A] Doøng trung bình qua SCR: I 52,5 I = m = = 16,71[A] AV Trò hieäu duïng doøng qua SCR: I 52,5 I = m = = 26,25[A] RMS 2 2 Ñieän aùp ñænh ñaët leân SCR: UDWM = URWM = 2.U = 2.440 = 622,3[V] 35
36. Ví dụ tính toán Ví duï 3.3 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha maéc vaøo taûi L. 2 Tính trò hieäu duïng aùp vaø doøng taûi khi = [rad]. 3 Tính coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn. Cho bieát L=0,01H, aùp nguoàn U = 220V,  = 314 rad/s It L U Ut 36
37. Ví dụ tính toán Giaûi: Trị hiệu dụng áp tải tính theo công thức: 2 2 sin 2. sin 2 3 3 Ut = U. 2 1 − + = 220. 2 1 − + =137 ,566 [V ] 2 2 Trị hiệu dụng dòng tải: U 2 3 It = 2 1 − (1 + 2 cos )+ sin 2 .L 2 220 3 2 2 3 2 It = . 2. 1 − 1 + 2 cos + .sin 2. = 29 ,142 [ A] 314.0,01 3 3 37
38. Ví dụ tính toán Coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn: Q(1) = US.It(1) vôùi U I = S .(2 − 2 + sin 2 ) t(1) ..L 2 220 2 2 It(1) = . 2 − 2. + sin 2. .314.0,01 3 3 It(1) = 27 ,395 [ A] Ta ñöôïc Q(1) = 220.27,397 = 6025,8 Var 38
39. Ví dụ tính toán Ví duï 3.4 Maïch ñoäng löïc cuûa boä buø nhuyeãn moät pha như hình vẽ. Doøng buø ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi goùc kích trong khoaûng , . 2 AÙp nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu duïng U = 220V,  = 314 rad/s. Coâng suaát buø cuûa tuï QC = 10 kVAr a/- Tính ñoä lôùn cuoän khaùng L ñeå coù theå buø coâng suaát vôùi ñoä lôùn thay ñoåi töø Qmin=0 ñeán Qmax = 10 kVAr. b/- Vôùi L tính ñöôïc, xaùc ñònh doøng buø toång ( haøi cô baûn) 2 5 öùng vôùi caùc tröôøng hôïp goùc ñieàu khieån = ; = ; = ; = 1 2 2 3 3 6 4 39
40. Ví dụ tính toán 40
41. Ví dụ tính toán 41
42. Ví dụ tính toán Giaûi: a/- Tính L ñeå coù theå buø töø Qmin=0 ñeán Qmax = 10 kVAr. Coâng suaát buø cuûa tuï: 2 U 2 QC = = .C.U XC Coâng suaát buø cuûa cuoän khaùng: U 2 U 2 QL = = X L .L Ñeå buø ñeán cos = 1, ta caàn coù QC = QL Töø ñoù: 1 L =  2 .C Q 10.000 C = C = = 657,99.10 −6 [F] .U 2 314 .220 2 1 L = = 0,0154 [H ] 314 2.(657,99.10 −6 ) 42
43. Ví dụ tính toán b/- Tính dòng bù tổng với các góc kích khác nhau Doøng buø toång: U ibuø = iC + i t (1) = j.C..U + j..L1 U US vôùi = IL(1) = 2 − 2 + sin 2  .L1 ..L Ta coù keát quaû: Ibuø = = 45,477-25,655=19,821A 2 2 Ibuø = =45,477-20,246=25,230A 3 5 Ibuø = = 45,477-13,802=31,674A 6 Ibuø ( = )= 45,477-0=45,477A 43
44. Ví dụ tính toán Ví duï 3.5: Cho boä bieán ñoài ñieän aùp xoay chieàu moät pha, taûi RL, Điện áp nguồn U = 220V, taàn soá nguoàn ac f=50Hz. Keát luaän gì veà tính lieân tuïc cuûa doøng taûi trong caùc tröôøng hôïp sau: a/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 It b/- R = 1  ; L = 0,01 H ; = 6 R Ut L 44
45. Ví dụ tính toán Giaûi: a/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 .L 314 .0,01 = arctg = arctg = 0,3042 [rad] R 10 = = 0,523[rad] 6 Doøng taûi giaùn ñoïan. 45
46. Ví dụ tính toán b/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 .L 314 .0,01 = arctg = arctg = 1,262[rad] R 1 = = 0,523[rad] 6 Doøng taûi lieân tuïc . 46
47. Ví dụ tính toán Ví duï 3.6 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha ñieàu khieån theo phöông phaùp tæ leä thôøi gian. Áp nguoàn xoay chieàu U = 220V,  = 314 rad/s. Thôøi gian ñoùng 1s, thôøi gian ngaét 0,5s. Taûi thuaàn trôû R = 50 a/- Tính trò hieäu duïng ñieän aùp taûi vaø doøng taûi b/- Tính coâng suaát taûi c/- Tính heä soá coâng suaát nguoàn 47
48. Ví dụ tính toán Giaûi: T 1 a/- Trò hieäu duïng aùp taûi:U = U. 1 = 220. =179 ,6[V ] t T 1,5 U 179 ,6 Do taûi R neân trò hieäu duïng doøng taûi I = t = = 3,592 [ A] t R 50 b/- Coâng suaát taûi R: U 2 179 ,6 2 P = t = = 645 ,333 [W ] R R 50 c/- Heä soá coâng suaát nguoàn P P 645 ,333  = R = R = = 0,8166 S U.It 220.3,592 48