Sửa chữa hệ thống cung cấp điện ba pha.

Việc chuyển đổi dòng điện xoay chiều ba pha thành dòng điện xoay chiều bằng cách sử dụng sáu điốt trong mạch cầu là quá trình chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ba pha để sử dụng trong các ứng dụng công suất cao.

Trong bài học trước về chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều một pha, chúng ta đã thấy rằng quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều ổn định được gọi là chuyển đổi AC sang DC. Mạch được sử dụng phổ biến nhất để chuyển đổi AC sang DC là mạch sử dụng điốt bán dẫn.

Thực tế, chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điốt, bởi vì điốt có giá thành rẻ, kích thước nhỏ và bền, cho phép chúng ta tạo ra nhiều loại mạch chỉnh lưu khác nhau.

Bằng cách sử dụng các điốt được mắc riêng biệt, hoặc thậm chí chỉ một mô-đun chỉnh lưu cầu đơn, việc sử dụng các điốt và bộ chỉnh lưu công suất cao cho phép chúng ta tạo ra nhiều loại nguồn điện, bộ điều khiển và bộ biến tần khác nhau.

Hệ thống điện một pha, chẳng hạn như hệ thống được sử dụng trong nhà và văn phòng, thường có điện áp giữa pha và tâm là 120 Vrms hoặc 240 Vrms, còn được gọi là điện áp giữa dây và tâm (LN). Điện áp và tần số này thường không đổi, tạo ra điện áp hoặc dòng điện xoay chiều dưới dạng sóng sin, viết tắt là "AC".

Chỉnh lưu điện ba pha là gì?

Mạch chỉnh lưu ba pha, còn được gọi là mạch chỉnh lưu đa pha, tương tự như mạch chỉnh lưu một pha đã mô tả ở trên. Điểm khác biệt ở đây là chúng ta sử dụng ba nguồn điện một pha được kết nối với nhau, được tạo ra bởi một máy phát điện ba pha duy nhất.

Một ưu điểm của bộ chỉnh lưu ba pha là khả năng cung cấp năng lượng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như điều khiển động cơ hoặc sạc pin, những ứng dụng này đòi hỏi công suất cao hơn so với bộ chỉnh lưu một pha có thể cung cấp.

Nguồn điện ba pha tiến thêm một bước nữa trong việc phát triển khái niệm này bằng cách kết hợp ba điện áp xoay chiều có cùng tần số và biên độ. Mỗi điện áp xoay chiều được gọi là một "pha". Ba pha này khác nhau 120 độ điện, dẫn đến trình tự pha hay vòng quay pha là: 360 ^° ÷ 3 = 120 ^° , như thể hiện trong hình.

Dạng sóng nguồn điện ba pha tiêu chuẩn.

Ưu điểm ở đây là có thể sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha (AC) để cấp nguồn trực tiếp cho tải cân bằng và mạch chỉnh lưu.

Vì nguồn điện ba pha có điện áp và tần số không đổi, nó có thể được sử dụng trong mạch chỉnh lưu để tạo ra dòng điện một chiều có điện áp không đổi. Dòng điện này sau đó được lọc để thu được điện áp một chiều đầu ra có độ gợn sóng thấp hơn so với mạch chỉnh lưu một pha.

Hiệu chỉnh ba pha

Giờ đây, khi đã biết rằng nguồn điện ba pha là sự kết hợp của ba nguồn điện một pha, chúng ta có thể sử dụng đặc tính đa pha này để tạo ra mạch chỉnh lưu ba pha.

Tương tự như chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha sử dụng điốt, thyristor, transistor hoặc bộ chuyển đổi để tạo ra các mạch chỉnh lưu bán sóng, toàn sóng, không điều khiển và điều khiển hoàn toàn, biến đổi nguồn điện ba pha ban đầu thành mức điện áp DC đầu ra ổn định.

Trong hầu hết các ứng dụng, biến tần ba pha được cấp nguồn trực tiếp từ lưới điện hoặc từ máy biến áp ba pha nếu tải kết nối yêu cầu mức điện áp DC khác.

Tương tự như mạch chỉnh lưu một pha được mô tả ở trên, mạch chỉnh lưu ba pha cơ bản nhất là mạch chỉnh lưu bán sóng không điều khiển, sử dụng ba điốt bán dẫn, mỗi điốt là một điốt PN cho mỗi pha, như thể hiện trong hình.

Hiệu chỉnh bán sóng ba pha

Mạch chỉnh lưu bán sóng ba pha này hoạt động như thế nào? Anode của mỗi điốt được nối với một pha của nguồn điện áp, trong khi cathode của cả ba điốt được nối với cùng một điểm dương, tạo thành cấu hình điốt “HOẶC”.

Điểm chung này trở thành cực dương (+) của tải, trong khi cực âm (-) của tải được nối với dây trung tính (N) của nguồn điện.

Giả sử thứ tự pha là đỏ-vàng-xanh (V_A – V_B – V_{C )} và pha đỏ (V_{A )} bắt đầu ở 0 ^°, điốt đầu tiên dẫn dòng điện sẽ là điốt 1 (D_{1 )} vì nó sẽ có điện áp dương cao hơn ở cực dương so với điốt D₂ hoặc D_{3 .}

Do đó, điốt D_{1 dẫn} dòng điện trong nửa chu kỳ dương của V_A, trong khi D₂ và D₃ ở trạng thái phân cực ngược. Dây trung tính đóng vai trò là đường dẫn để đưa dòng điện tải trở lại nguồn điện.

Sau 120 độ điện, điốt 2 (D₂) bắt đầu dẫn dòng điện trong nửa chu kỳ dương của V_B ( pha màu vàng). Tại thời điểm này, cực dương của nó có điện thế cao hơn so với các điốt D₁ và D_{3 ,} cả hai đều đang ở trạng thái "tắt" do phân cực ngược.

Tương tự, sau 120 ^° , V_{C (} pha xanh) bắt đầu tăng, khiến điốt 3 (D_{3 )} mở do điện thế dương tăng lên ở cực dương, dẫn đến việc các điốt D₁ và D_{2 ​​}đóng lại .

Như vậy, ta thấy rằng đối với chỉnh lưu ba pha, bất kỳ điốt nào có điện áp dương ở cực dương cao hơn hai điốt còn lại sẽ tự động bắt đầu dẫn điện, tạo ra sơ đồ dẫn điện: D₁D₂D₃ như hình minh họa .

Dạng sóng dẫn của bộ chỉnh lưu bán sóng ba pha.

Từ dạng sóng trên cho tải điện trở, ta có thể thấy rằng đối với mạch chỉnh lưu bán sóng, mỗi điốt cho phép dòng điện chạy qua nó trong một phần ba mỗi chu kỳ, và dạng sóng đầu ra có tần số gấp ba lần tần số đầu vào của nguồn điện xoay chiều.

Do đó, trong một chu kỳ sẽ có ba điểm điện áp cực đại. Việc tăng số pha từ hệ thống một pha lên hệ thống ba pha giúp cải thiện quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều, dẫn đến điện áp một chiều ổn định hơn.

_{Đối với mạch chỉnh lưu bán} sóng ba pha, điện áp nguồn V_A, V_B và V_C cân bằng nhưng lệch pha 120 ^°, dẫn đến:

V_A = VP*sin(ωt – 0o)

V_B = VP*sin(ωt – 120o)

V_C = VP*sin(ωt – 240o)

Trong đó V_P là giá trị "đỉnh" hay giá trị tối đa của nguồn điện 3 pha, điện áp DC trung bình của dạng sóng đầu ra từ mạch chỉnh lưu bán sóng 3 pha có thể được định nghĩa như sau:

Tìm giá trị RMS của dạng sóng.

Vì điện áp cung cấp là điện áp tối đa, nên V_P bằng V_RMS * 1,414, do đó V_RMS bằng V_{P /} 1,414 hoặc 0,707 * V_P, vì 1/1,414 = 0,707.

Do đó, điện áp DC trung bình của mạch chỉnh lưu có thể được biểu thị bằng điện áp pha hiệu dụng (RMS) như sau:

Ví dụ về sửa chữa điện ba pha, số 1.

Một mạch chỉnh lưu bán sóng ba pha được xây dựng bằng ba điốt và một biến áp ba pha mắc hình sao để cung cấp nguồn điện xoay chiều 120V cho tải có trở kháng 50Ω. Tính toán: a) điện áp một chiều trung bình đầu ra cho tải; b) dòng điện tải; c) dòng điện trung bình trên mỗi điốt. Giả sử các điốt là điốt lý tưởng.

a) Điện áp DC trung bình tại tải:

Điện áp _DC = 1,17 * Vrms = 1,17 * 120 = 140,4 vôn

Xin lưu ý rằng nếu chúng ta đã đạt được điện áp tối đa (Vp ₎ :

Điện áp V_DC sẽ bằng 0,827*Vp hoặc 0,827*169,68 = 140,4V

b) Dòng điện tải DC:

I_L = V_DC /R _L = 140,4/50 = 2,81 Ampe

c) Dòng điện trung bình trên mỗi điốt:

I_D = I_L /3 = 2,81/ ₃ = 0,94 Ampe

Một nhược điểm của chỉnh lưu bán sóng ba pha là nó yêu cầu nguồn điện bốn dây, tức là ba pha cộng với một dây trung tính (N). Hơn nữa, điện áp DC trung bình thu được thấp, khoảng 0,827*VP, _như chúng ta đã thấy.

Vì độ gợn sóng trong tín hiệu đầu ra gấp ba lần tần số đầu vào, chúng ta có thể giảm thiểu những nhược điểm này bằng cách thêm ba điốt nữa vào mạch chỉnh lưu cơ bản, tạo ra một mạch chỉnh lưu cầu ba pha toàn sóng không điều khiển.

Hiệu chỉnh toàn sóng ba pha

Bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng ba pha không điều khiển sử dụng sáu điốt, hai điốt cho mỗi pha, tương tự như bộ chỉnh lưu cầu một pha. Bộ chỉnh lưu toàn sóng ba pha được tạo ra bằng cách sử dụng hai bộ chỉnh lưu bán sóng.

Ưu điểm của mạch này là nó tạo ra ít nhiễu hơn so với các bộ chỉnh lưu bán sóng ba pha thế hệ trước vì tần số của nó gấp sáu lần tần số của dạng sóng AC đầu vào.

Hơn nữa, bộ chỉnh lưu toàn sóng có thể được cấp nguồn từ nguồn điện 3 pha, 3 dây đấu nối kiểu tam giác vì nó không cần dây trung tính (N) thứ tư. Hãy xem xét mạch chỉnh lưu toàn sóng 3 pha được hiển thị bên dưới.

Hiệu chỉnh toàn sóng ba pha

Như trước, giả sử chu kỳ pha là đỏ-vàng-xanh (V_A – V_B – V_{C )} và pha đỏ (V_A ) bắt đầu ở 0 ^°. Mỗi pha được nối giữa một cặp điốt như hình vẽ. Một điốt trong cặp cung cấp nguồn cho phía dương (+) của tải, trong khi điốt còn lại cung cấp nguồn cho phía âm (-) của tải.

Các điốt D₁ , D_{3 ,} D₂ và D₄ tạo thành mạch chỉnh lưu cầu giữa pha A và B. Tương tự, các điốt D₃ , D₅ , D₄ và D₆ tạo thành mạch chỉnh lưu cầu giữa pha B và C, và tương tự, các điốt D5 , D1 , D6 và D2 ​​tạo thành mạch chỉnh lưu cầu giữa pha C và A.

Các điốt D1 , D3 và D5 cung cấp nguồn cho cực dương, trong đó điốt có điện áp dương cao hơn ở cực dương đóng vai trò là dây dẫn. Tương tự, các điốt D2, D4 và D6 cung cấp nguồn cho cực âm, trong đó điốt có điện áp âm cao hơn ở cực âm đóng vai trò là dây dẫn .

Như vậy, ta thấy rằng để điều chỉnh dòng điện ba pha không kiểm soát được, các điốt dẫn dòng điện theo từng cặp phù hợp, với mỗi đường dẫn dòng điện đi qua hai điốt mắc nối tiếp. Do đó, cần tổng cộng sáu điốt chỉnh lưu, với việc chuyển mạch dòng điện của mạch diễn ra cứ sau 60 ° hoặc sáu lần mỗi chu kỳ.

Nếu ta bắt đầu mô hình dẫn điện ở 30 °, ta sẽ thu được các mô hình dẫn điện sau cho dòng điện tải: D_1-4 D_1-6 D_3-6 D_3-2 D_5-2 D_5-4 và quay trở lại D_1-4 và D_1-6 cho chuỗi pha tiếp theo như hình vẽ .

Dạng sóng dẫn toàn phần của bộ chỉnh lưu ba pha.

Trong mạch chỉnh lưu ba pha, dòng điện luôn dẫn qua điốt có điện thế dương mạnh nhất và điốt tương ứng có điện thế âm mạnh nhất. Do đó, khi ba pha quay qua các cực của mạch chỉnh lưu, dòng điện được truyền từ điốt này sang điốt khác.

Mỗi điốt sẽ dẫn dòng điện trong 120 ° (một phần ba) của mỗi chu kỳ bật nguồn. Tuy nhiên, vì cần hai điốt để dẫn dòng điện theo cặp, nên mỗi cặp điốt sẽ chỉ dẫn dòng điện trong 60 ° (một phần sáu) của một chu kỳ tại bất kỳ thời điểm nào, như hình minh họa ở trên.

Do đó, ta có thể khẳng định chính xác rằng đối với mạch chỉnh lưu 3 pha được cấp nguồn từ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp “3”, mỗi pha được phân tách bởi một góc 360 ° /3, cần 2*3 điốt.

Hơn nữa, xin lưu ý rằng, không giống như mạch chỉnh lưu bán sóng trước đó, mạch chỉnh lưu này không có kết nối chung giữa các cực đầu vào và đầu ra, do đó có thể được cấp nguồn từ máy biến áp mắc kiểu sao hoặc kiểu tam giác.

Do đó, giá trị trung bình của dòng điện một chiều trong dạng sóng điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu toàn sóng 3 pha có thể được xác định như sau:

Trong đó: V_S bằng (V L(PEAK) ÷ √ 3 ) và trong đó V_L(PEAK) là điện áp đường dây tối đa (V_L * 1,414).

Ví dụ về hiệu chỉnh điện ba pha. Ví dụ 2.

Cần một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng ba pha để cung cấp điện cho tải 150 ôm từ nguồn điện ba pha delta 127 volt, 60 Hz, bỏ qua điện áp rơi trên điốt. Tính toán: 1. Điện áp DC đầu ra của bộ chỉnh lưu, và 2. Dòng điện tải.

1). Điện áp đầu ra DC:

Điện áp hiệu dụng (RMS) của đường dây là 127 vôn, do đó điện áp đỉnh giữa các đường dây (V _LL(PEAK) ) sẽ là:

Vì nguồn điện là loại 3 pha, nên điện áp giữa pha và tâm (VPN ₎ của bất kỳ pha nào sẽ như sau:

Xin lưu ý rằng điều này về cơ bản cũng tương đương với việc nói:

Do đó, điện áp DC trung bình thu được từ mạch chỉnh lưu toàn sóng ba pha như sau:

Một lần nữa, chúng ta có thể đơn giản hóa phép toán một chút, bằng cách khẳng định rằng với một điện áp RMS đường dây nhất định—trong ví dụ của chúng ta là 127 vôn—điện áp đầu ra DC trung bình sẽ như sau:

2). Dòng điện tải của mạch chỉnh lưu.

Tín hiệu đầu ra từ mạch chỉnh lưu được đưa vào tải điện trở 150 ôm. Khi đó, sử dụng định luật Ohm, dòng điện tải sẽ là:

Bộ chỉnh lưu ba pha không điều khiển sử dụng điốt để thu được điện áp đầu ra trung bình không đổi so với điện áp xoay chiều đầu vào. Tuy nhiên, để làm cho điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể thay đổi, cần phải thay thế một số hoặc tất cả các điốt không điều khiển bằng thyristor để tạo ra bộ chỉnh lưu cầu, còn được gọi là bộ chỉnh lưu bán điều khiển hoặc điều khiển hoàn toàn.

Thyristor là một thiết bị bán dẫn ba cực, và khi một xung kích thích thích hợp được đặt vào cực cổng của thyristor, trong khi điện áp giữa cực dương và cực âm là dương, thiết bị sẽ dẫn dòng điện và truyền dòng điện tải.

Do đó, độ trễ xung kích hoạt (góc đánh lửa) làm chậm thời gian cần thiết để thyristor tự động bật (giống như điốt thông thường) và thời gian cần thiết để nó bắt đầu dẫn dòng điện khi có xung kích hoạt tác động.

Do đó, với mạch chỉnh lưu ba pha điều khiển sử dụng thyristor thay vì diode, ta có thể điều khiển điện áp DC trung bình bằng cách điều khiển góc đánh lửa của cặp thyristor, và điện áp thu được trở thành một hàm của góc đánh lửa α.

Do đó, sự khác biệt duy nhất so với công thức được sử dụng ở trên cho điện áp đầu ra trung bình của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là góc cosin cos(α) của xung đánh lửa hoặc xung kích thích.

Do đó, nếu góc đánh lửa bằng không (cos(0) = 1), bộ chỉnh lưu điều khiển hoạt động tương tự như bộ chỉnh lưu điốt 3 pha không điều khiển trước đó, với điện áp đầu ra trung bình là như nhau.

Một ví dụ về mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có thể điều khiển hoàn toàn được thể hiện bên dưới:

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha được điều khiển hoàn toàn

Tóm tắt những bài học kinh nghiệm về việc khắc phục sự cố dòng điện ba pha.

Trong bài học này, chúng ta đã thấy rằng chuyển đổi dòng điện xoay chiều ba pha sang dòng điện một chiều là quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều xung. Vì quá trình này chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành điện áp và tần số dạng sóng hình sin, nên nó được chuyển đổi thành điện áp một chiều không đổi. Do đó, chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều một chiều biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều.

Tuy nhiên, chúng ta đã thấy rằng mạch chỉnh lưu bán sóng ba pha không điều khiển, sử dụng một điốt cho mỗi pha, cần một nguồn điện mắc hình sao làm dây trung tính (N) thứ tư để đóng mạch từ tải đến nguồn điện.

Mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng ba pha, sử dụng hai điốt cho mỗi pha, chỉ cần ba dây dẫn chính, không có dây trung tính, tương tự như nguồn điện mắc kiểu tam giác.

Một ưu điểm khác của bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng là dòng điện tải được phân bổ đều hơn trên toàn bộ cầu chỉnh lưu, giúp cải thiện hiệu suất (tỷ lệ công suất DC đầu ra so với công suất đầu vào) và giảm gợn sóng cả về biên độ và tần số so với bộ chỉnh lưu bán sóng.

Việc tăng số pha và số điốt trong mạch chỉnh lưu cầu cho phép đạt được điện áp DC trung bình cao hơn với biên độ gợn sóng nhỏ hơn. Ví dụ, trong bộ chỉnh lưu AC 6 pha, mỗi điốt chỉ dẫn một phần sáu chu kỳ dòng điện.

Hơn nữa, bộ chỉnh lưu đa pha hoặc đa tầng tạo ra tần số gợn sóng cao hơn, điều này có nghĩa là lọc điện dung ít hơn và điện áp đầu ra mượt mà hơn nhiều. Do đó, có thể thiết kế bộ chỉnh lưu không điều khiển 6, 12, 15, và thậm chí 24 pha để cải thiện độ gợn sóng cho nhiều ứng dụng khác nhau.