TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Cung cấp năng lượng điện cho các máy sản xuất và thiết bị di động như hệ thống cẩu, xe tự hành, hệ thống khai thác dưới nước, kho tự động và robot di động là một thách thức phức tạp Hiện nay, nhiều nhà khoa học và công ty lớn trên thế giới đang nghiên cứu để phát triển các phương thức cung cấp nguồn năng lượng hiệu quả cho những thiết bị này.
Nghiên cứu và thiết kế hệ thống nguồn cung cấp không dây đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học toàn cầu, đặc biệt từ Mỹ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc Một số nhà nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này bao gồm Grant A Covic, Oskar H Stielau, Xu Shangang, Do Huyn Kang và Ioan Vadan Tuy nhiên, cho đến nay, các nghiên cứu này vẫn chưa cung cấp một quy trình công nghệ hoàn chỉnh để thiết kế hệ thống hiệu quả.
Một số công ty của Đức và Hàn Quốc, như Vahle và Woosung, đã phát triển các hệ thống cung cấp năng lượng không dây Tuy nhiên, giá thành của thiết bị này vẫn còn khá cao.
1.1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan về hệ thống CPS trên thế giới
1 C S Wang, Oskar H Stielau, and Grant A Covic “Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger” IEEE Trans Ind Electron., vol 52, no 5, pp 1308–1314, Oct 2005
Bài báo này tổng quan về thiết kế lý thuyết và thực tiễn liên quan đến hệ thống truyền công suất cảm ứng, đồng thời xác minh sự phát triển lý thuyết thông qua việc sử dụng một bộ sạc pin xe điện thực tế dựa trên công nghệ truyền công suất cảm ứng và cộng hưởng.
2 J Meins, “Contactless Power Supply for Transport Systems,” in Conf Rec of MAGLEV’98, 1998, pp 268-273
Mục đích của bài viết này nêu lên ứng dụng hệ thống nguồn cung câp không nối dây sử dụng cho xe chuyển hàng trong xí nghiệp
3 G A J Elliott, J T Boys, and A W Green, “ Magnetically Coupled Systems for Power Transfer to Electric Vehicles,” in Conf Rec of Power Electronics and Drive Systems (PEDS),1995, pp 797-801
Mục đích của bài viết này mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nối dây sử dụng cho xe điện
4 T Bieler, M Perrottet, V Nguyen, and Y Perriard, “Contactless power and information transmission,” in Conf Rec IEEE-IAS Annu Meeting, vol 1,
Bài viết này nhằm mục đích giới thiệu công nghệ truyền năng lượng điện không tiếp xúc kết hợp với khả năng truyền tải thông tin hai chiều Để thực hiện điều này, một biến áp tần số được sử dụng cho việc truyền công suất và thông tin Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay đổi hình học cuộn dây có thể giảm thiểu hiện tượng cảm ứng giữa nguồn và cuộn thông tin Giải pháp mới này không chỉ giúp xây dựng hệ thống truyền công suất thông minh với chi phí thấp mà còn tích hợp khả năng liên lạc hiệu quả.
5 Y Jang and M M Jovanovic, “A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers,” in Conf Rec Telecommunications Energy Conf., 2000, pp 726–732
Mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nối dây cho bộ sạc pin di động, điện thoại
Việc cung cấp nguồn cho các thiết bị di động thường dựa vào kết nối cứng hoặc hệ thống thanh trượt - chổi quét Kết nối cứng có thể gây rắc rối do dây nối khi thiết bị di chuyển Trong khi đó, việc sử dụng hệ thống thanh trượt - chổi quét không đảm bảo an toàn phòng cháy, chữa cháy, vì có khả năng phát sinh hồ quang điện tại điểm tiếp xúc trong quá trình di chuyển của thiết bị.
Độ bền cơ học của hệ thống cấp nguồn qua tiếp xúc không cao do sự bào mòn giữa chổi quét và thanh trượt trong quá trình di chuyển Để khắc phục nhược điểm của phương thức cấp nguồn truyền thống, cần phát triển một phương thức cấp nguồn không dây sử dụng kỹ thuật cảm ứng, giúp thiết kế và sản xuất với chi phí thấp hơn so với các hệ thống nước ngoài và đảm bảo tính chủ động về công nghệ.
Hiện tại, chưa có sản phẩm nào được sản xuất trong nước liên quan đến hệ thống cung cấp điện không dây, mà chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu cơ bản về hệ thống này.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI,Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc phát triển các phương thức cấp nguồn mới cho hệ thống di động là cần thiết để khắc phục những nhược điểm của phương thức cấp nguồn truyền thống.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu nguyên lý và thực hiện mô hình thực nghiệm mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS.
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu nguyên lý của biến áp hở
- Nghiên cứu lý nguyên lý hệ thống CPS
- Xây dựng mô hình thực nghiệm
1.4.2 Giới hạn của đề tài
- Xây dựng mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)
- Xây dựng mô hình thực nghiệm
- Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.
PHẠM VI ỨNG DỤNG
Trong các xí nghiệp với các thiết bị có khả năng di chuyển
Ngoài ra hệ thống CPS còn được ứng dụng rất nhiều ngoài thực tế với tất cả các thiêt bị được cấp nguồn có khả năng di chuyển
Một số ứng dụng và hình dáng hệ thống CPS:
Hình 1.1 CPS ứng dụng cho hệ thống máy cuốn tôn
Hình 1.2 CPS ứng dụng trong dây chuyền sản xuất xe hơi
Hình 1.3 CPS ứng dụng cần trục vận chuyển container
Hình 1.4 CPS ứng dụng cho xe di chuyển
Hình 1.5 CPS ứng dụng cho xe chuyển hàng
Hình 1.6 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng thẳng
Hình 1.7 CPS ứng dụng cho hệ thống nạp bình xe ôtô
Hình 1.8 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng tròn
Hình 1.10 Hệ thống CPS phần sơ cấp
Hình 1.11 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động)
Hình 1.12 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động)
KẾT CẤU LUẬN VĂN
Luận văn bao gồm 5 chương
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống CPS
Chương 3: Thiết kế hệ thống CPS
Chương 4: Kết quả thực nghiệm
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS
CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS
Hệ thống CPS (Contactless power supply system) cung cấp nguồn điện không dây, cho phép cấp nguồn cho các thiết bị di động mà không cần kết nối vật lý như dây điện hay thanh trượt - chổi quét.
CPS là một hệ thống sử dụng cặp cảm ứng tương tự như hai cuộn dây của máy biến áp, hoạt động dựa trên nguyên lý truyền dẫn năng lượng thông qua cảm ứng điện từ và mạch cộng hưởng.
2.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CPS
Hệ thống CPS cơ bản bao gồm cặp cảm ứng điện từ hoạt động với bộ nguồn tần số cao Cuộn dây sơ cấp được bù để giảm thiểu tiêu hao công suất, trong khi cuộn cảm ứng thứ cấp di động được bù để nâng cao khả năng truyền tải công suất Một bộ điều khiển chế độ chuyển mạch có thể được sử dụng để quản lý dòng công suất từ pickup đến tải Trong các hệ thống phức tạp, có thể có nhiều pickup riêng lẻ được cung cấp bởi các track đơn.
Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát hệ CPS
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền tải công suất cảm ứng
Hình 2.3 Hình dáng cơ bản transformer của CPS
2.1.3 Các thành phần của khối
Bộ chỉnh lưu đầu vào (AC/DC)
Bộ nghịch lưu nâng tần số (DC/AC)
Cuộn cảm ứng sơ cấp (Primary track/ coil inductance)
Cuộn cảm ứng di động thứ cấp (Secondary pickup inductance)
Bộ chỉnh lưu ngõ ra (AC/DC)
Nguồn xoay chiều ba pha được chuyển đổi thành tín hiệu điện DC qua bộ chỉnh lưu, sau đó tín hiệu này được nâng tần số lên khoảng 20 kHz qua bộ nghịch lưu Tín hiệu cao tần kết nối với cuộn sơ cấp và cảm ứng qua cuộn thứ cấp di động, tạo ra dòng điện xoay chiều Cuối cùng, dòng điện này được chỉnh lưu để cung cấp dòng điện DC cho các tải di động.
2.1.5 Các dạng cơ bản của cặp cảm ứng điện từ
Hình 2.4 Các dạng cặp cảm ứng điện từ cơ bản
Hình 2.5 Mô hình cặp cảm ứng điện từ cơ bản
Giải thích các ký hiệu sau:
Cs: Tụ bù thứ cấp
Vp: Điện áp cuộn sơ cấp
V s : Điện áp cuộn thứ cấp ii: Dòng điện nghịch lưu ip: dòng điện sơ cấp i s : dòng điện thứ cấp iL: dòng điện tải
R: tải trên phía thứ cấp
SS topology: Tụ bù sơ cấp nối tiếp cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp nối tiếp cuộn thứ cấp
SP topology: Tụ bù sơ cấp nối tiếp cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp song song cuộn thứ cấp
PS topology: Tụ bù sơ cấp song song cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp nối tiếp cuộn thứ cấp
PP topology: Tụ bù sơ cấp song song cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp song song cuộn thứ cấp
Hình 2.4 minh họa bốn dạng cặp cảm ứng điện từ (SS, PP, SP, PS) có thể được mô hình hóa tổng quát qua mạch trong Hình 2.5, phân tích trạng thái ổn định hình Sin Điện áp cảm ứng và điện áp dội được xác định dựa trên độ tự cảm tương hỗ.
M, tần số vận hành ω, dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp Độ tự cảm M quan hệ với hệ số cặp điện từ qua công thức :
2.1.6 Hệ thống một pickup (bộ di chuyển thứ cấp)
Trở kháng dội từ phía thứ cấp đến phía sơ cấp được tính như sau:
Với Zs: trở kháng của bên phía thứ cấp, phụ thuộc vào dạng mạch bù
Công suất truyền từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp được cho bên dưới
Với “ReZr”: Phần thực của Zr
Dòng điện chạy qua cuộn dây thứ cấp được cho
(2.4) Điện áp cuộn dây sơ cấp và thứ cấp lần lượt như sau
Trở kháng thứ cấp, điện áp tải và dòng điện tải được trình bày trong bảng 2.1 cho hai dạng bù là nối tiếp và song song Tần số cộng hưởng ω0 ở cả sơ cấp và thứ cấp thường được xác định bằng công thức p p S.
Bảng 2.1 Trở kháng thứ cấp, điện áp và dòng tải
Dạng bù Nối tiếp Song song
Trở kháng thứ cấp Zs R
Dòng điện tải IL Is
Bảng 2.2 Các đặc tính tại tần số cộng hưởng thứ cấp ω0
Dạng bù Nối tiếp Song song Điện trở dội
Hệ số chất lượng thứ cấp Qs
Điện trở và điện kháng dội được tính toán theo công thức (2.2) tại tần số cộng hưởng thứ cấp, như được trình bày trong Bảng 2.2, và phụ thuộc vào dạng mạch bù sử dụng Hệ số chất lượng thứ cấp, cũng được nêu trong Bảng 2.2, được định nghĩa tại tần số cộng hưởng thứ cấp và là tỷ lệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Bù nối tiếp thứ cấp hoạt động như một nguồn áp, trong khi bù song song thứ cấp tương tự như một nguồn dòng Cả hai đặc tính này có thể được xác định thông qua một công thức cụ thể.
Việc sử dụng điện trở dội trong thiết kế hệ thống CPS giúp duy trì dòng điện sơ cấp ổn định Một lợi thế của bù nối tiếp thứ cấp là không có điện kháng dội tại tần số cộng hưởng thứ cấp, trong khi bù song song thứ cấp lại tạo ra điện kháng điện dung tại tần số này.
Trở kháng tải được xác định bởi sự kết hợp giữa mạch sơ cấp và mạch thứ cấp trong hệ thống bù nối tiếp Đối với hệ thống này, công thức tính trở kháng tải được biểu diễn là: r p p t j L Z.
1 (2.8) Đối với một hệ thống bù song song sơ cấp, trở kháng tải có công thức như sau r P p t
Trong các hệ thống có nhiều pickup, tất cả các pickup thường được thiết kế đồng nhất để đảm bảo rằng các trở kháng thứ cấp tương đương nhau cho mỗi loại tải Kết quả là tổng trở kháng phản hồi từ tất cả các pickup sẽ đồng nhất.
Với n: số pickup Điều này tương đương với trở kháng dội của một pickup đơn tương tự với một độ tự cảm tương hỗ tương đương như sau : nM
Hệ số cặp cảm ứng thương đương nk k n = (2.12)
CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS
Trong một số ứng dụng, việc điều chỉnh tần số để kiểm soát dòng công suất là cần thiết, và ưu tiên vận hành trên hoặc dưới tần số cộng hưởng thứ cấp giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển Mối quan hệ giữa tần số và công suất cho thấy rằng việc hoạt động gần tần số cộng hưởng thứ cấp là lựa chọn hợp lý để đạt được khả năng truyền tải công suất tối đa Để giảm thiểu tiêu hao công suất nguồn cung cấp, điện áp và dòng điện đầu ra cần phải cùng pha, điều này có thể đạt được bằng cách vận hành tại góc pha bằng 0 (ZPA) của tần số trở kháng tải Do đó, tần số danh định của hệ thống CPS thường được thiết kế để vận hành ZPA sơ cấp tại tần số cộng hưởng thứ cấp.
Bộ nguồn và bộ điều khiển sơ cấp thông thường điều chỉnh cả tần số và dòng điện sơ cấp để tối ưu hóa khả năng truyền tải công suất Các bộ điều khiển tần số có thể là loại thay đổi hoặc ổn định, và việc điều chỉnh dòng công suất cũng rất cần thiết do sự biến đổi trong các thông số tải và hệ thống khác.
2.2.2.1 Điều chỉnh dòng công suất
Một phương pháp phổ biến để điều chỉnh dòng công suất là thay đổi tần số hoạt động của nguồn cung cấp, nhưng phương pháp này không hiệu quả cho các ứng dụng có nhiều pickup với tải khác nhau Việc điều chỉnh nguồn cung cấp có thể ảnh hưởng đến tất cả các pickup thứ cấp, dẫn đến một số pickup không thể cung cấp đủ công suất cần thiết Một giải pháp khác là sử dụng bộ điều khiển Switched-mode cho từng pickup thứ cấp, cho phép điều khiển độc lập và tách biệt với sơ cấp Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là làm tăng tổn hao chuyển đổi và chi phí cao hơn cho các pickup thứ cấp.
2.2.2.2 Điều khiển tần số ổn định
Trong các ứng dụng điều khiển tần số ổn định, sự thay đổi tải và cặp cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp có thể gây ra dịch pha trong trở kháng tải Nếu dịch pha này lớn, công suất nguồn cung cấp cần có giá trị VA cao hơn để đảm bảo hiệu suất cho cùng một bộ truyền tải công suất.
2.2.2.3 Điều khiển tần số thay đổi
Các bộ điều khiển tần số thay đổi hoạt động hiệu quả nhất tại tần số vòng sơ cấp, nhưng tần số vận hành (tần số của trở kháng tải ZPA) có thể khác biệt so với tần số cộng hưởng danh định do sự thay đổi tải và góc của cặp cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp Sự thay đổi tần số quá lớn có thể dẫn đến giảm khả năng truyền tải công suất và gây mất ổn định tần số, ảnh hưởng đến điều khiển tối ưu do sự gia tăng nhánh rẽ khi tải tăng lên.
Việc thiết kế hệ thống CPS chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và thực nghiệm do sự tương tác phức tạp giữa các mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp Một phương pháp thiết kế tổng quát đã được đề xuất, cho phép hệ thống hoạt động tại tần số cộng hưởng danh định Thông qua quy trình thiết kế lặp, cấu trúc điện từ như dòng điện sơ cấp có thể được xác định để đáp ứng yêu cầu truyền tải công suất Giới hạn vật lý cho khả năng truyền tải công suất của cấu trúc cặp điện từ được xác định bởi tỷ lệ công suất VA Trong quá trình thiết kế, khả năng truyền tải công suất thường thấp hơn so với công suất VA của cả sơ cấp và thứ cấp.
Một dạng bù nối tiếp thứ cấp có khả năng cung cấp điện áp ổn định, trong khi dạng bù song song thứ cấp lại đảm bảo dòng điện ổn định.
Bù nối tiếp sơ cấp thường được áp dụng để giảm điện áp sơ cấp xuống mức có thể kiểm soát, đặc biệt trong các ứng dụng với cuộn dây sơ cấp dài Ngược lại, bù song song sơ cấp được sử dụng nhằm đạt được dòng điện sơ cấp lớn hơn.
Trong quy trình thiết kế, có hai giả định quan trọng: tần số vận hành giữ ổn định tại tần số cộng hưởng danh định và dòng điện sơ cấp là hằng số Tuy nhiên, khi tải thay đổi, sẽ xuất hiện sự dịch pha hoặc tần số.
Khi tần số thay đổi lớn, giả định sự vận hành xung quanh tần số cộng hưởng danh định thì không có giá trị
Khi xảy ra sự dịch pha lớn, nếu yêu cầu dòng điện sơ cấp không đổi, thì không thể đáp ứng được khi nhu cầu vượt quá công suất VA của nguồn cung cấp đã chọn Trong tình huống này, hệ thống sẽ không thể cung cấp công suất như mong muốn.
2.2.2.5 Chọn lựa tụ bù sơ cấp Để cực tiểu hóa các vấn đề trên kết hợp với độ dịch pha hay tần số, vận hành ZPA (góc pha bằng 0) sơ cấp tại hay lân cận tần số cộng hưởng thứ cấp thì được mong muốn Một phương pháp đơn giản để cân nhắc chọn tụ sơ cấp bởi việc đặt
Tại tần số cộng hưởng thứ cấp, phần ảo của trở kháng tải bằng 0, cho phép thiết kế bù độ tự cảm sơ cấp và giảm thiểu trở kháng dội khi bù nối tiếp cuộn dây sơ cấp Giải pháp được trình bày trong Bảng 2.3 áp dụng cho bốn dạng mạch bù trong Hình 2.3.
Mạch Tụ sơ cấp C p Tụ sơ cấp được chuẩn hóa C pn
Một tụ sơ cấp chuẩn hóa Cpn có thể được định nghĩa bằng cách chia tụ sơ cấp trong Bảng 2.3 cho tụ sơ cấp được xác định theo công thức (2.7).
Tụ sơ cấp được chuẩn hóa chỉ có thể xác định bằng công thức (2.7) Theo Bảng 2.3, việc đạt được vận hành ZPA sơ cấp tại tần số cộng hưởng thứ cấp phụ thuộc vào ba yếu tố: loại mạch sơ cấp và thứ cấp, hệ số cặp cảm ứng, và hệ số chất lượng thứ cấp.
2.2.2.6 Sự phụ thuộc dạng mạch bù sơ cấp và thứ cấp
Lựa chọn dạng bù có vai trò quan trọng trong việc xác định tụ sơ cấp Khi bù nối tiếp thứ cấp không điện kháng tại tần số cộng hưởng danh định, độ tự cảm sơ cấp có thể điều chỉnh mà không phụ thuộc vào cặp cảm ứng hay tải nhờ vào việc mắc nối tiếp một tụ trong mạch sơ cấp Ngược lại, bù song song thứ cấp phản hồi tải không phụ thuộc dung lượng điện kháng tại tần số cộng hưởng danh định, khiến chuỗi nối tiếp điều chỉnh trong mạch sơ cấp phụ thuộc vào cặp cảm ứng nhưng không vào tải Do trở kháng dội có phần thực đại diện cho tải, bù song song sơ cấp trở nên phụ thuộc cả vào cặp cảm ứng và tải.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ LỌC
Bộ chỉnh lưu, hay còn gọi là bộ nắn điện, là mạch điện chuyên dụng để chuyển đổi điện áp và dòng điện xoay chiều thành điện áp và dòng điện một chiều Nó còn được biết đến với tên gọi bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều (AC - to - DC Converter).
Hình 2.7 Khối chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều
Các thiết bị điện tử và viễn thông thường sử dụng dòng điện một chiều, như động cơ điện một chiều, thiết bị nạp accu và thiết bị mạ điện Mặc dù các nguồn điện một chiều như máy phát, accu và pin mặt trời có giá thành cao và công suất hạn chế, nguồn điện xoay chiều lại phổ biến và rẻ hơn, với công suất dường như "vô tận" từ điện lưới 50 Hz hoặc 60 Hz Để cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ điện một chiều từ nguồn điện lưới, cần sử dụng bộ chỉnh lưu.
Ngày nay, để thực hiện việc chỉnh lưu, người ta dùng các linh kiện bán dẫn silic là diode, thyristor SCR và thyristor GTO (thyristor tắt bằng cổng)
Trong các bộ chỉnh lưu, các diode còn được gọi là các van không điều khiển, các thyristor còn được gọi là các van có điều khiển
Các van bán dẫn có ưu điểm là:
Điện áp rơi trên van thấp (sụt áp thuận), do đó hiệu suất cao
Nhiệt độ khi làm việc thấp
Thể tích và trọng lượng nhỏ
Làm việc được tức thời (không có thời gian trễ)
Tuy nhiên chúng có các nhược điểm:
Chịu quá dòng, quá áp kém
Các thông số phụ thuộc nhiệt độ
Khi đưa sản phẩm ra thị trường, nhà sản xuất có kèm theo các thông số kỹ thuật của linh kiện:
Dòng điện định mức: Iđm (A)
Điện áp ngược lớn nhất cho phép: Ung max (V)
Dòng điện ngược lớn nhất Ing max (mA)
Với các thyristor ngoài các thông số trên còn thêm:
Điện áp điều khiển UG (V)
Dòng điện điều khiển IGK (mA)
Dòng duy trì I dt (mA)
2.3.2 Các dạng mạch chỉnh lưu cơ bản
2.3.2.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển
Chỉnh lưu một pha không điều khiển sử dụng điện áp xoay chiều một pha và các van nắn là diode, dẫn đến việc điện áp một chiều đầu ra không thể điều khiển được.
Bộ chỉnh lưu một pha thường được sử dụng cho các ứng dụng có công suất vừa và nhỏ, với công suất tối đa khoảng 15 kW Đối với những hệ thống yêu cầu công suất lớn hơn, bộ chỉnh lưu ba pha là lựa chọn phổ biến, giúp duy trì sự cân bằng giữa các pha điện lưới.
2.3.2.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng
Bộ chỉnh lưu nửa sóng cho phép điện áp xoay chiều đầu vào được lấy trực tiếp từ điện lưới hoặc thông qua biến áp, như thể hiện trong Hình 2.8 a và b.
Khi tải cần cách ly với điện mạng và điện áp một chiều trên tải khác xa với điện áp mạng, việc sử dụng biến áp là cần thiết (Hình 2.8b) Có hai lựa chọn: a) Không dùng biến áp, b) Dùng biến áp.
Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng
Khi xét về tải thuần trở, điện áp nguồn được đặt vào bộ chỉnh lưu là us = U M sinωt Diode D thực hiện chức năng chỉnh lưu, trong khi Rt là tải thuần trở của bộ chỉnh lưu Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn us, khi ωt nằm trong khoảng từ 0 đến π, điện áp này trở thành bán chu kỳ dương, khiến diode D dẫn điện do phân cực thuận, từ đó tạo ra dòng i0 chảy qua tải.
Trong nửa chu kỳ sau của điện áp us, khi ωt = π ÷ 2π, diode D ngắt do phân cực ngược, dẫn đến không có dòng điện qua tải, với i0 = 0 và u0 = 0 Tại bán chu kỳ này, diode D chịu điện áp ngược.
Bỏ qua tổn hao trên diode D và nguồn, ta có thể quan sát các dạng sóng đầu vào và đầu ra của bộ chỉnh lưu, cũng như dòng điện và điện áp ngược trên diode như thể hiện trong hình 2.9.
Hình 2.9: Các dạng sóng của bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải trở
Trong quá trình chỉnh lưu, diode D chỉ dẫn dòng điện trong bán chu kỳ dương của điện áp vào (us), tạo ra dòng và áp trên tải, trong khi bán chu kỳ âm của us khiến diode D khóa, dẫn đến dòng và áp trên tải bằng không Do đó, trong một chu kỳ điện áp mạng, chỉ có một xung dòng qua tải, được ký hiệu là m; với chỉnh lưu một pha nửa sóng, m = 1 Kết quả là điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là một chiều nhưng ngắt quãng, với tần số điện áp gợn sóng (Ripple) trên tải là f g = m.f = 50Hz Điện áp trên tải u0 và dòng tải i0 là dạng xung, do đó có thể phân tích theo phương pháp Fourier.
Trong đó: U 0 , I 0 là thành phần một chiều (giá trị trung bình) của điện áp và dòng tải, còn ∑ ∞
Các thành phần xoay chiều của điện áp và dòng trên tải, được gọi là các hài, gây ra độ gợn sóng (Ripple) của điện áp Bỏ qua tổn hao trên diode và nguồn, trị số điện áp một chiều trên tải có thể được tính theo một công thức cụ thể.
Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng, u0 = 0 khi T/2 ≤ t ≤ T nên công thức (2.14) trong trường hợp này là:
U là trị số hiệu dụng của us
- Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải
-Trị số hiệu dụng của dòng tải: t
- Trị số hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải
- Tỷ số của điện áp hiệu dụng trên tải với điện áp một chiều trên tải gọi là hệ số dạng sóng, được ký hiệu là
Hệ số gợn sóng, ký hiệu là g, là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải U0~ và thành phần một chiều trên tải U0.
Từ biểu thức (2.17) và (2.19) ta suy ra:
- Hiệu suất chỉnh lưu: là tỷ số của công suất một chiều trên tải P0 với công suất hiệu dụng trên tải P t
P t là công suất hiệu dụng trên tải
Với tải dung tính (hình 2.8a )
Khi đầu ra của bộ chỉnh lưu ta mắc một tụ C, có trị số sao cho: t c R c
1 ở đây m =1, thì tải của bộ chỉnh lưu được coi là mang tính dung (hình 2.8a)
Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải dung tính (a) và dạng điện áp trên tải, thời gian dẫn của diode D (b)
Với điều kiện Xc