Nguyên lý hoạt động
Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển là một thiết bị quan trọng trong năng lượng điện tử, thường được sử dụng cho các ứng dụng đổi điện công suất cao Thiết bị này bao gồm hai mạch 3 pha và các chỉnh lưu 3 xung nối tiếp với nhau Trong cấu trúc này, các SCR 1/3/5 được gọi là nhóm dương, hoạt động trong nửa chu kỳ dương của điện áp pha, trong khi các SCR 2/4/6 kích hoạt trong nửa chu kỳ âm.
Sơ đồ nguyên lý của mạch:
Việc tạo xung kích điều khiển cầu 3 pha khá phức tạp, mạch kích cần tuân thủ theo các nguyên tắc sau:
- 2 Thyristor ở cùng một cột sẽ không dẫn cùng lúc vì sẽ dẫn đến ngắn mạch
Thyristor ở hàng trên sẽ dẫn khi điện áp pha nguồn đạt giá trị lớn nhất, trong khi đó, ba thyristor ở hàng dưới chỉ dẫn khi điện áp pha nguồn tương ứng ở mức nhỏ nhất.
Dòng qua tải cần phải duy trì liên tục, vì vậy tại mọi thời điểm sẽ có hai thyristor hoạt động đồng thời Khi thực hiện chuyển mạch, một thyristor sẽ được kích hoạt lại để đảm bảo quá trình hoạt động ổn định.
Tính toán lý thuyết
Các thông số đầu vào:
Nguồn 3 pha: 400 V (áp dây) – 50 Hz
Giả sử mạch có tải với L đủ lớn để dòng tải id có thể xem là phẳng
- Trị trung bình áp chỉnh lưu
Với V là trị trung bình áp pha 𝑉 = 𝑉 𝑚
- Dòng trung bình qua tải
- Điện áp khóa và áp ngược cực đại trên SCR
- Dòng điện qua nguồn điện áp pha a:
Vậy IaMax = Id và IaMin = -Id
- Trị hiệu dụng dòn điện qua nguồn khi dòng tải không đổi:
Mô phỏng mạch trên Psim
Mạch mô phỏng trên Psim:
Bảng số liệu đo đạc:
Bảng lý thuyết tính toán :
IaMin (A) -80.35 -69.56 -52.39 -30.02 -6.73 0 Ảnh các dạng sóng tại góc kích 60:
Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ điều khiển điện áp xoay chiều một pha
Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm
Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20
2 Bộ điều khiển điện áp xoay chiều một pha
Nguyên lý hoạt động
Trường hợp góc điều khiển α > φ
Hình bên dưới dạng sóng của mạch biến đổi điện áp xoay chiều tải RL, góc kích mô phỏng trong mạch này là 120 độ
+ Ở đầu bán kỳ khi chưa xuất hiện góc kích dòng tải và áp tải đều bằng không.
Khi xung kích vào chân G1, thyristor D1 sẽ đóng lại, dẫn đến điện áp tải bằng với điện áp nguồn Vo = Vs Do tải có tính cảm, dòng điện sẽ tăng từ 0 đến cực đại và sau đó giảm dần Tuy nhiên, vào cuối bán kỳ dương, dòng điện vẫn duy trì giá trị lớn hơn 0.
Trong đầu chu kỳ âm, thyristor D1 ngưng dẫn do bị áp ngược, nhưng tải có tính cảm khiến nó duy trì dẫn Kết quả là điện áp Vo = Vs < 0 Khi cuộn cảm xả hết năng lượng, dòng điện giảm về 0 và cả dòng và áp tải đều bằng 0.
Khi D2 kích hoạt ở chân G2, D2 sẽ đóng lại, dẫn đến Vo = Vs và Io = Is Dòng điện tải bắt đầu từ 0, tăng lên giá trị cực đại và sau đó giảm về 0, với dòng điện liên tục đi qua điểm 0.
Trường hợp góc điều khiển α < φ
Khi xung kích G1 xuất hiện, thyristor D1 sẽ đóng, dẫn đến điện áp tải bằng với điện áp nguồn Dòng điện tải sau đó tăng từ 0 đến giá trị cực đại và sau đó giảm về 0, tạo ra dòng điện liên tục khi qua điểm 0.
Trong trường hợp này, khi góc kích α nhỏ hơn φ, sự xuất hiện của xung kích G2 không đủ để thyristor D2 đóng điện, vì D1 vẫn còn dẫn Kết quả là chỉ có thyristor D1 dẫn, tạo ra dòng tải một chiều.
Các thiết bị động cơ trong hệ thống RL hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Dòng điện một chiều ổn định từ mạch này có thể làm gia tăng nhiệt độ ở các cuộn dây, dẫn đến nguy cơ cháy động cơ.
Để cải thiện tải RL, cần chú ý đến góc kích α Một biện pháp hiệu quả là sử dụng thyristor, giúp tạo ra dòng điện một chiều Tuy nhiên, hai thyristor sẽ thay phiên dẫn, dẫn đến áp tải bằng với áp nguồn mà không thể điều khiển được.
Mở rộng góc kích có nhược điểm là các bộ điều khiển SCR hoạt động liên tục, trong khi thực tế SCR chỉ cần một xung kích ngắn để duy trì trạng thái dẫn, điều này làm cho phương pháp này không khả thi.
+ Sử dụng một chuỗi xung kích, nhược điểm là việc thiết kế mạch phức tạp và tốn kém hơn.
Tính toán lý thuyết
Giả sử mạch có tải với L đủ lớn để dòng tải id có thể xem là phẳng
Các thông số đầu vào:
Nguồn 3 pha: 400 V (áp dây) – 50 Hz
Mô phỏng mạch trên Psim
Mạch mô phỏng trên Psim:
Bảng số liệu đo đạc:
Bảng lý thuyết tính toán:
ILMin (A) -15.63 -14.90 -14.02 -12.86 -10.27 -8.2 Ảnh các dạng sóng tại góc kích 60:
Thời gian dẫn của S1 và S2
Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp
Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm
Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20
3 Bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp
Nguyên lý hoạt động
Mạch bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp bao gồm một nguồn điện áp một chiều không đổi U, được kết nối nối tiếp với tải thông qua khóa bán dẫn T Tải này có thể bao gồm các thành phần như điện trở R, cuộn cảm L và sức điện động.
E Diode D mắc đối song với tải
Cấu hình một bộ giảm áp
Nguồn một chiều U có thể lấy từ acquy, pin, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc
Khóa T là linh kiện điều khiển có khả năng đóng và ngắt dòng điện, thường được sử dụng trong các ứng dụng ON/OFF Những linh kiện này bao gồm transistor như MOSFET và IGBT, GTO, hoặc các dạng kết hợp như SCR với bộ chuyển mạch.
Dòng ngõ ra có thể đảo chiều Mạch có thể làm việc ở chế độ đưa năng lượng từ nguồn đến tải hoặc từ tải về nguồn
Khi T được kích dẫn, (T + Diode T) tương đương khoá bán dẫn S cho phép dòng chạy qua theo cả 2 chiều:
Có 2 chế độ dòng làm việc của mạch:
+ Xung kích và các khoảng dẫn được thể hiện như hình sau:
𝑖 𝑜 – dòng ngõ ra, Vd – nguồn DC, 𝑣 𝑜 – điện áp ngõ ra, T – khoảng dẫn của (T +
Diode T), D – khoảng dẫn của Diode D
Dòng điện liên tục được tạo ra do cuộn cảm liên tục nạp và phóng điện Khi năng lượng của cuộn cảm chưa được phóng ra hoàn toàn, chu kỳ nạp xả tiếp theo sẽ diễn ra, dẫn đến việc dòng điện không thể đạt giá trị bằng 0.
+ Xung kích và các khoảng dẫn được thể hiện như hình sau:
𝑖 𝑜 – dòng ngõ ra, Vd – nguồn DC, 𝑣 𝑜 – điện áp ngõ ra, T – khoảng dẫn của (T +
Diode T), D – khoảng dẫn của Diode D
Năng lượng trong cuộn cảm được giải phóng hoàn toàn trước khi bắt đầu chu kỳ nạp xả tiếp theo, dẫn đến việc có một khoảng thời gian dòng điện bằng 0, trong đó không có linh kiện nào hoạt động.
Tính toán lý thuyết
Chế độ dòng liên tục
- Điện áp ra Ud có dạng xung thay đổi giữa hai giá trị 0 và +U
- Giá trị trung bình của điện áp ngõ ra:
D là tỉ số điều chế (duty cycle)
- Dòng trung bình ngõ ra:
- Dòng trung bình ngõ vào:
Dòng điện tăng trong khoảng thời gian 𝑇 1 tương ứng 𝑖 𝑑 biến thiên từ 𝑖 𝑑,𝑚𝑖𝑛 đến 𝑖 𝑑,𝑚𝑎𝑥 , suy ra:
Chế độ dòng gián đoạn
- Tính thời gian mạch dẫn qua công thức:
- Điện áp trung bình ngõ ra:
- Dòng trung bình ngõ vào Is, dòng trung bình ngõ ra 𝐼 𝑑 tính tương tự như chế độ dòng liên tục; 𝑖 𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 0( Vì dòng gián đoạn), 𝑖 𝑑,𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑖𝑑
Mô phỏng mạch trên Psim
Mạch mô phỏng dùng phần mềm PSIM
Thông số mạch: U00V, R = 5 Ω, E = 120 V, L = (1+M/20) mH, f = 10 kHz ; (chọn M) → L= 5.3 mH
Bảng số liệu đo đạc:
Bảng tính toán lý thuyết:
U – nguồn DC, Ud – Điện áp ngõ ra, Vk – Điện áp kích cho T
Is – dòng từ nguồn, Id – dòng ngõ ra, Vk – Điện áp kích cho T
Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển toàn phần
Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm
Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20
4 Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển toàn phần
Nguyên lý hoạt động
Bộ nghịch lưu chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều, với điện áp đầu ra có thể là một pha hoặc ba pha Các ứng dụng chính của bộ nghịch lưu bao gồm truyền động điện cho động cơ xoay chiều, hệ thống nguồn UPS, lò cảm ứng trung tần, hàm trung tần, ballast điện tử và các hệ thống FACT trong lưới điện.
Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu ba pha bao gồm một nguồn điện một chiều và sáu IGBT, mỗi IGBT được kết nối với một diode để cho phép dòng điện chạy theo chiều ngược lại Mạch này được nối với tải RL ba pha theo cấu hình đấu sao, như thể hiện trong hình.
Phương pháp điều khiển: phương pháp điều biên (six step)
Các khóa bán dẫn trong nửa chu kỳ hoạt động đồng thời, với các khóa trên cùng một nhánh (T1-T4, T3-T6, T5-T2) được kích ngược pha nhau Cụ thể, các khóa T1, T3, và T5 được kích lệch pha nhau một góc 2π/3.
Tính toán lý thuyết
Trị hiệu dụng áp pha:
Phần tích Fourier của điện áp pha, biên độ sóng hài bậc n của áp pha:
Và áp tải chỉ chứa các thành phần hài bậc lẻ (n = 1, 3, 5, …) Ngoài ra với n là bội của
3 thì áp pha sẽ bằng 0 nên các hài lân cận sẽ có bậc n = 1, 5, 7, 11, …
Trị hiệu dụng dòng tải hài bậc n:
Trị hiệu dụng dòng nguồn:
Bỏ qua tổn hao trên khóa bán dẫn, ta có:
➔Trị trung bình dòng nguồn:
Xét hoạt động của mạch trong 6 khoảng như trên ta có:
Khoảng I II III IV V VI id -iB iA -iC iB -iA iC
Trong khoảng II, khi xét ID, dòng nguồn chính tương ứng với dòng pha A Mạch trong pha A là mạch quá độ cấp 1 RL, do đó thời hằng của mạch được xác định như sau:
Và thời gian quá độ:
Với f đủ nhỏ thì mạch trong khoảng này sẽ đạt trạng thái xác lập:
Trường hợp f lớn, mạch không có đủ thời gian để đạt trạng thái xác lập, xét pha A (theo
Trong khoảng T/6, mạch là mạch quá độ RL cấp 1 nên dòng có dạng:
Sơ kiện: giá trị đầu của khoảng n (n = I-VI) sẽ bằng giá trị cuối của khoảng n-1
Ta được hệ phương trình:
Giải phương trình ta suy ra được các hệ số A, B, C, D, E, F
Mô phỏng mạch trên Psim
Các thông số đầu vào:
Mạch mô phỏng trên Psim:
Số liệu đo đạc: f 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz
Bảng tính toán lý thuyết: f 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz
29 Ảnh các dạng sóng tại f = 50Hz
