CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 1. Tổng quan về mạch chỉnh lưu SCR tia 3 pha 1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha: A a T1 B T2 b C T3 c R E L Hình 1-1: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha Hình 1-2: Sơ đồ dạng sóng tia 3 10 Gồm 1 máy biến áp 3 pha có thứ cấp nối Y o, 3 pha Thyristor nối với tải như hình 1. Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu: +Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính.
+Khi biến áp đấu hình sao (Y)trên mỗi pha A,B,C nối một van.3 catod đấu chung cho điện áp dương của tải ,còn trung tính biến áp, sẽ là điện áp âm. Ba pha này dịch góc 120o theo các đường cong điện áp pha ,có điện áp của 1 pha dương hơn điện áp của 2 pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì. +Nếu có các Thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn pha kia. Vì thế phải xét đến thời gian cấp xung đầu tiên.
Góc mở tự nhiên: +Góc mở α được xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến 0 (từ đóng sang khoá) cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khiển vào. +Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây. +0 ≤ α < π −γ −μ Trong đó : : góc dẫn : góc chuyển mạch 1. Nguyên lý hoạt động Xét khi góc mở = 0: 11 u Va Vb Vc E i1 E i 2 E i E 3 i 2 4 1 3 Hình 1-3 Góc mở a=0 - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp v a=√ 2u 2 sin θ v b=√ 2u 2 sin ( θ−2 π /3 ) v c =√ 2 u2 sin ( θ+2 π /3 ) - Qua hình trên ta thấy: 12 Lúc θ1 <θ< θ2 v a> v b > v c.
v a có giá trị lớn nhất nên T 1 mở cho dòng chạy qua T2; v −E T3 khoá i 1= a R Lúc θ2 <θ< θ3 v b> v c > v a. v bcó giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng chạy qua T1; v −E T3 khoá i 2= b R v −E Lúc θ3 <θ< θ1. v c > v a > v b, T3 mở; T1, T2 khoá; i 3= c R Trong đó: R: điện trở của động cơ. E: suất điện động phản kháng của động cơ.
ud −E I d= R Dòng trung bình: 5π 6 1 I I 1=I 2=I 3 = ∫ 2π π I d. Xét khi góc mở 0 : Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: u1=U m sin θ 2π u2=U m sin(¿ θ− )¿ 3 2π u3=U m sin(¿ θ+ )¿ 3 *Nhịp V1: khoảng thời gian từ θ1 →θ 2. Tại θ1 điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích khởi: T1 mở, khi đó: { ¿ u v1=0 ¿ uv 2=u2 −u1< 0 ¿ uv 3=u3 −u1 <0 T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này: 13 +Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1: ud = u1 +Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1 +Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i2 = i3 = 0 Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này u V1 = u1 – u2 = 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2.
*Nhịp V2: từ θ2 →θ 3 { ¿ u v 2=0 Lúc này : ¿ uv 1=u1 −u2 ¿ uv 3=u3 −u2 T2 mở, T1, T3 đóng. +Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2 +Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = i2 +Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i1 = i3 = 0 Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 = u2 – u3 = 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3. *Nhịp V3: từ θ3 →θ 4 { ¿ u v3 =0 Lúc này : ¿ uv 1=u1−u 3 ¿ uv 2=u2−u3 T3 mở, T1, T2 đóng. +Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3 +Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: id = Id = i3 +Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0 Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 – u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1.
Trong mạch dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện i d cùng dạng sóng ud, khi điện kháng tải tăng lên, dòng điện càng trở nên bằng phẳng hơn, khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id. Trị trung bình của điện áp tải: 14 5π +α 3 √6 U 2 6 2 Ud= ∫ 3π π √ 2. +α 6 Trong đó : : Góc mở Thyristor. sin(¿ θ+ )¿ 3 Giả sử T1 đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id.
Khi θ=θ2 cho xung điều khiển mở T2. Cả 2 Thyristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn e a và eb. Nếu chuyển gốc toạ độ từ θ sang θ2 ta có: 5π e a= √ 2. sin( ¿θ + +α )¿ 6 Điện áp ngắn mạch: U c =eb −e a=√ 2.
sin(¿ θ+ α )¿ Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình: d ic √ 6. X c Nguyên tắc điều khiển các Thyristor: Khi anod của Thyristor nào dương hơn Thyristor đó mới được kích mở. Thời điểm của 2 pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các Thyristor. Các Thyristor chỉ được mở với góc mở nhỏ nhất.
15 Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có 1 Thyristor dẫn như vậy dòng điện qua tải liên tục, mỗi t dẫn trong 1/3 chu kì còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn của các Thyristor nhỏ hơn. Tuy nhiên, trong cả 2 TH dòng điện trung bình của các Thyristor đều bằng 1/3 Id trong khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện của Thyristor bằng dòng điện tải. Dòng điện Thyristor khoá = 0. Điện áp Thyristor phải chịu bằng điện dây giữa pha có Thyristor khoá với pha có Thyristor đang dẫn.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở Thyristor. +Nếu 30 Ud , Id liên tục. +Nếu > 30 Ud , Id gián đoạn Ud T2 Ud Id Id α t 0 I1 t I2 t I3 t Hình 1-4 Giản đồ đường cong khi a= 30o tải thuần trở UT1 t Hình 1-5: Giản đồ đường cong khi góc mở a= 60o 16 Nhận xét: So với chỉnh lưu 1 pha: +Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn. +Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn. +Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn. Dòng điện mỗi cuộn thứ cấp là dòng điện 1 chiều, do biến áp 3 pha 3 trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn. Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp phải đấu sao(Y), có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì dây trung tính chịu dòng tải.
Tổng quan về thiristor a) Cấu tạo: Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau và có 3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G. - + - + - + A + N1- +P2 - +N K P1 - 2 - + - + - + J1 Ei J2 J3 G Hình 1-6 A K Kí hiệu : G 17 b) Nguyên lý hoạt động: Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt, thì tiêp giáp J1, J3 được phân cực thuận còn miền J2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J 2, điện trường nội tại E1 của J2 có chiều từ N1 hướng tới P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E 1, vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương. +Mở Thyristor: Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K ) thì các electron từ N2 chạy sang P2.
Đến đây một số ít trong chúng chảy về nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G1 - J3 - K - G , còn phần lớn điện tử dưới sức hút cuả điện trường tổng hợp của mặt J 2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gảy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện tử tự do mới. Số điện tử này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si khác trong vùng chuyển tiếp. Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện càng nhiều điện trường chạy vào vùng N 1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng đẫn điện ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một diểm nào đó ở sung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng 1m/100s +E Rt R1 K T R2 -E Hình 1-7 Có thể hình dung như sau: Khi dặt Thyristor ở UAK > 0 thì Thyristor ở tình trạng sẵn sàn mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi tín hiệu I g ở cực điều khiển, nếu Ig > Igst thì Thyristor mở. +Khoá Thyristor: 18 Một khi Thyristor đã mở thì tín hiệu I g không còn tác dụng nữa.
Để khoá Thyristor có 2 cách:. Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì I d Đặt một điện áp ngược lên Thyristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận. +E +E R Rt1 Rt2 C C A B T K T1 T2 Hình 1-8 Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có mặt tại P1, N1, P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài.