CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN …...điện dung được xem xét kỹ càng. 2.1.1. Chỉnh lưu một pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn

Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển

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.



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.



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:

T

0

Ld dt)t(vT

1V (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:

0

md dt)tsin(V2

1V (2-2)

mm

d V318,0V

V

(2-3)

Trường hợp cả sóng, theo đồ thị dạng sóng, ta có tsinV)t(vmL

trong cả

hai nửa sóng. Từ đó ta có biểu thức điện áp trung bình:

0

mddt)tsin(VV (2-4)

m

m

dV636,0

V2V

(2-5)



Trị hiệu dụng của điện áp trên tải VL

T

0

2

LLdt)t(v

T

1V (2-6)

Trường hợp chỉnh lưu nửa sóng, điện áp vL(t) = 0 trong nửa sóng âm:

0

2

mLdt)tsinV(

2

1V (2-7)

m

m

dV5,0

2

VV (2-8)

Trường hợp chỉnh lưu cả sóng, tsinV)t(vmL

trong cả nửa dương và nửa

âm của chu kỳ:

0

2

mLdt)tsinV(

1V (2-9)

m

m

dV707,0

2

VV (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:

R

VI d

d (2-11)

Trị hiệu dụng dòng điện trên tải

R

VI L

L (2-12)

Trị số dòng điện chỉnh lưu một pha:

Nửa sóng: R

V318,0I m

d (2-13)

R

V5,0I m

L (2-14)

Cả sóng: R

V636,0I m

d (2-15)

R

V707,0I m

L (2-16)



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:

LL

dd

L

d

IV

IV

P

P (2-17)

Nửa sóng: %5,40)V5,0(

)V318,0(2

m

2

m (2-18)

Cả sóng: %81)V707,0(

)V318,0(2

m

2

m (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:

d

L

V

VFF (2-20)

Nửa sóng: 57,1V318,0

V5,0FF

m

m (2-21)

Cả sóng: 11,1V636,0

V707,0FF

m

m (2-22)

2.2.3.5. Hệ số gợn sóng (Ripple factor)

Hệ số gợn sóng được xác định bằng biểu thức:

d

ac

V

VRF (2-23)

Trong đó điện áp xoay chiều được xác định theo biểu thức

2

d

2

LacVVV (2-24)

1FF1V

VRF 2

2

d

L

(2-25)

Nửa sóng:

21,1157,11FFRF 22 (2-26)

Cả sóng:

482,0111,11FFRF 22 (2-27)



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.

ss

dd

ac

d

IV

IV

P

PTUF (2-28)

Trong đó: Vs và Is – giá trị hiệu dụng của dòng và áp xoay chiều

mm

s V707,02

VV (2-29)

Giá trị dòng điện xoay chiều thứ cấp biến áp chính bằng giá trị hiệu dụng của

dòng điện trên tải IL.

Nửa sóng: R

V5,0I m

s (2-30)

Cả sóng: R

V707,0I m

s (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.

286,05,0.707,0

318,0TUF

2

(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:

572,05,0.707,0.2

318,0.4TUF

2

(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:

81,0707,0

636,0TUF

2

2

(2-34)



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 sm V2V

- Điện áp thứ cấp hiệu dụng:

Nửa sóng: ds V22,2V (2-35)

Cả sóng: ds V11,1V (2-36)

- Điện áp ngược cực đại lặp lại (VRRM):

Nửa sóng: dd

mRRM V14,3318,0

VVV (2-37)

Trường hợp cả sóng dùng sơ đồ cuộn thứ cấp có điểm giữa:

dd

mRRM V14,3636,0

V2V2V (2-38)

Trường hợp cả sóng mạch cầu:

dd

mRRM V57,1636,0

VVV (2-39)



- Dòng điện thuận cực đại lặp lại (IFRM)

Nửa sóng: ddm

FRM I14,3318,0

I

R

VI (2-40)

Cả sóng: ddm

FRM I57,1636,0

I

R

VI (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 Nửa sóng

Cả sóng

(cuộn thứ cấp có điểm giữa)

Cả sóng (mạch cầu)

Điện áp ngược cực đại lặp lại VRRM 3.14Vdc 3.14Vdc 1.57Vdc

Điện áp hiệu dụng thứ cấp Vs 2.22Vdc 1.11Vdc 1.11Vdc

Dòng điện trung bình Diode IF(AV) 1.00Idc 0.50Idc 0.50Idc

Dòng điện cực đại lặp lại IFRM 3.14IF(AV) 1.57IF(AV) 1.57IF(AV)

Dòng hiệu dụng diode IF 1.57Idc 0.785Idc 0.785Idc

Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV)

1.57 1.57 1.57

Hệ số chỉnh lưu 0.405 0.81 0.81

Hệ số hình dạng FF 1.57 1.11 1.11

Hệ số gợn sóng RF 1.21 0.482 0.482

Công suất cuộn sơ cấp VA 2.69Pdc 1.23Pdc 1.23Pdc

Công suất cuộn thứ cấp VA 3.49Pdc 1.75Pdc 1.23Pdc

Tần số chỉnh lưu fr 1fi 2fi 2fi

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.



Xét pha u1, diode dẫn trong khoảng π/6 ÷ 5π/6, điện áp trung bình

6/5

6/

md dt.tsinV2

3V

(2-42)

mmd V827,0V2

33V

(2-43)

Hình 2-8: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản

Giá trị hiệu dụng:

m

6/5

6/

2

mL V84,0dttsinV2

3V

(2-44)

Hoặc

4

3

32

3VV mL

(2-45)

Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp:

mms I.485,04

3

32

1II

(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.



Bảng 2-3: Thông số chỉnh lưu ba pha

Thông số Tia ba pha Tia ba pha

kép Cầu ba pha




Dòng điện cực đại lặp lại IFRM 3.63IF (AV) 3.15IF (AV) 3.14IF (AV)


Hệ số hình dạng dòng điện diode

IF(RMS)/IF(AV) 1.76 1.76 1.74

Hệ số chỉnh lưu 0.968 0.998 0.998

Hệ số hình dạng FF 1.0165 1.0009 1.0009

Hệ số gợn sóng RF 0.182 0.042 0.042

Công suất cuộn sơ cấp VA 1.23Pdc 1.06Pdc 1.05Pdc

Công suất cuộn thứ cấp VA 1.51Pdc 1.49Pdc 1.05Pdc


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



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.



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:

3/2

3/

md dt.tsinV32

6V

(2-47)

mmd V654,1V33

V

(2-48)

Điện áp hiệu dụng

3/2

3/

2

mL dttsinV9

V

(2-49)

mmL V655,14

39

2

3VV

(2-50)

Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp:

mms I.78,04

3

6

2II

(2-51)



Giá trị hiệu dụng dòng điện qua diode

mmD I.552,04

3

6

1II

(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.



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:



3/2

3/

mdc d.sinV2

6V

(2-53)

Hoặc: mmdc V955,02

16VV

(2-54)

Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu được tính theo:

3/2

3/

2

mL d)sinV(2

6V

(2-55)

Hoặc: mmL V956,04

3

62

6VV

(2-56)

Bên cạnh đó, trị hiệu dụng của dòng điện trên mỗi pha thứ cấp được tính:

mmS I39,04

3

62

1II

(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 6-

pha cầu nối tiếp.

Trong sơ đồ chỉnh lưu 6-pha cầu nối tiếp, nếu coi *

mV 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 *

mV .

Biên độ điện áp trên tải gọi là Vm sẽ bằng *

mV2 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:

12/7

12/5

mdc d.sinV2

12V

(2-58)

Hoặc: mmdc V989,022

1312VV

(2-59)

Tương tự, giá trị hiệu dụng điện áp chỉnh lưu được tính theo:



12/7

12/5

2

mL d)sinV(2

12V

(2-60)

Hoặc: mmL V956,0

4

1

122

12VV

(2-61)

Bên cạnh đó, trị hiệu dụng của dòng điện trên mỗi pha thứ cấp được tính:

mmS I807,04

1

12

4II

(2-62)

Trị hiệu dụng dòng điện trên mỗi diode

mmS I57,04

1

12

2II

(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



Bảng 2-4: Thông số thiết kế chỉnh lưu 6-pha với tải điện trở

Thông số Tia 6-pha Tia 6-pha cầu

nối tiếp Tia 6-pha cầu

song song




Dòng điện cực đại lặp lại IFRM 6.28IF (AV) 3.033IF (AV) 3.14IF (AV)


Hệ số hình dạng dòng điện diode IF(RMS)/IF(AV)

2,45 1,73 2,45

Hệ số chỉnh lưu 0,998 1,00 1,00

Hệ số hình dạng FF 1,0009 1,0005 1,0005

Hệ số gợn sóng RF 0,042 0,01 0,01

Công suất cuộn sơ cấp VA 1,28Pdc 1,01Pdc 1,01Pdc

Công suất cuộn thứ cấp VA 1,81Pdc 1,05Pdc 1,05Pdc


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

2fr

2L

0

Lf2R

R

v

v

(2-64)



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:

ff

2

rL

0

CLf21

1

v

v

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.



2.5.1.2. Điện cảm tới hạn LC

Trường hợp chỉnh lưu một pha cả sóng, điện cảm tới hạn được tính theo:

i

Cf.6

RL

(2-66)

Trong đó: fi – tần số nguồn xoay chiều.

Trường hợp chỉnh lưu m-pha, điện cảm tới hạn được tính theo:

i

2Cf)1m(m.3

RL

(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:

)1n(

V4v

2

m)n(L

(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:

..8,4,2n

2

2 1n

12RF (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: 2

fi )R/Lf.4(1

4714,0RF

(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

1I

ITHD

2

1s

s

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



4,3,2n

2

1s

)n(s

I

ITHD (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

cosI

IPF

s

1s (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

5,3,1n

im

s tf.2sinn

1I4i

(2-74)

Giá trị hiệu dụng của dòng điện nguồn và thành phần cơ bản tương ứng là Im và

2/I4 m . 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

)n(r

ii

2

i

)n(s I.CLf.n21

1I

(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:

5,3n

2

ii

2

i CLf.n21

1

n

1THD

(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.



(a)

(b)

Hình 2-17: Mạch lọc xoay chiều điện cảm (a) và mạch tương đương (b)

2.5.2. Lọc một chiều điện dung

Hình 2-18 sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha cả sóng lọc một chiều điện dung, dạng

sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu trong hình 2-19. Khi giá trị điện áp tức thời

của dây quấn thứ cấp vs lớn hơn giá trị điện áp tức thời trên tụ điện vL, một trong hai

diode D1 hoặc D2 dẫn và tụ điện được nạp từ máy biến áp. Khi điện áp tức thời dây

quấn thứ cấp giảm, vs nhỏ hơn giá trị điện áp tức thời trên tụ vL, cả hai diode phân cực

ngược và tụ điện xả điện tích thông qua tải điện trở R. Kết quả, điện áp trên tụ dao

động trong khoảng giữa giá trị lớn nhất của Vm và giá trị nhỏ nhất của Vm – Vr(pp) như

trong hình 2-19 Vr(pp) – độ gợn sóng điện áp từ đỉnh tới đỉnh). Góc dẫn của cả hai

diode θc , như trong hình 2-19, trở nên nhỏ hơn khi độ gợn sòng điện áp chỉnh lưu

giảm xuống. Do đó, cả nguồn và các diode đều chịu tác động của dòng điện giá trị cao

đột biến lặp lại. Cần bổ xung thêm bộ lọc LC xoay chiều như trên hình 2-17a, nhwafm

nâng cao hệ số công suất nguồn của chỉnh lưu.

Hình 2-18: Chỉnh lưu một pha cả sóng lọc một chiều điện dung

Thực tế, độ gợn sóng điện áp từ đỉnh tới đỉnh tương đối nhỏ, có thể xác định

theo biểu thức

RCf

VV

r

m)pp(r (2-77)

Trong đó: fr – tần số chỉnh lưu

Điện áp trung bình chỉnh lưu được tính theo



RCf2

11VV

r

mdc (2-78)

Giá trị hiệu dụng điện áp gợn sóng chỉnh lưu

RCf.22

VV

r

mdc

Độ méo dạng khi đó

1RCf22

1RF

r

Hình 2-19: Dạng sóng dòng và áp

chỉnh lưu một pha cả sóng lọc một chiều điện dung

Điện trở R inrush trong hình 2-18 được dùng để giới hạn dòng điện xâm nhập vào

các diode trong thời điểm khi chỉnh lưu kết nối với nguồn. Dòng xâm nhập có thể rất

lớn do tụ điện cso điện tích ban đầu bằng 0. Trường hợp xấu nhất có thể xảy ra khi bộ

chỉnh lưu được kết nối nguồn vào thời điểm điện áp cực đại và dòng điện xâm nhập

được tính theo biểu thức.

ESRtc

minrush

RR

VI

(2-81)

Trong đó: Rtc – điện trở tương đương từ phía thứ cấp máy biến áp, RESR – điện

trở tương đương qui đổi của tụ lọc. Như vây diode đượ chọn phải có khả năng chịu

được dòng điện xâm nhập trong nửa chu kỳ điện áp nguồn. Nói cách khác, dòng điện

thuận cực đại (Maximum Allowable Surge Current - IFSM) của diode phải lớn hơn

dòng điện xâm nhập. Giá trị trở liên quan đến dây quấn biến áp và tụ lọc thường tính

đến giới hạn chấp nhận được của dòng điện xâm nhập. Tuy nhiên, trường hợp bỏ qua



máy biến áp, bộ chỉnh lưu làm việc với nguồn ở chế độ chuyển mạch nguồn xoay

chiều, điện trở Rinrush cần bổ xung để kiểm soát dòng điện xâm nhập.

Xét một ví dụ, ck cầu một pha, điện áp nguồn 120V – 60Hz (không có biến áp).

Giả thiết dòng IFSM của diode là 150A trong khoảng thời gian 8.3 ms. Nếu điện trở

RESR của tụ lọc bằng không, giá trị điện trở để giới hạn dòng điện xâm nhập khoảng

1,13 Ω (sử dụng biểu thức 2-81).

Documents

CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN …...điện dung được xem xét kỹ càng. 2.1.1. Chỉnh lưu một pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn