Tìm hiểu dòng điện xoay chiều (AC) trong thiết kế nguồn điện
Để thiết kế nguồn điện sử dụng dòng điện xoay chiều (AC), trước tiên phải xác định được dòng điện đầu vào. Hầu hết các nguồn điện lưới đều là nguồn điện xoay chiều, thường có dạng sóng hình sin.
Hình 1: Dạng sóng AC và các thông số chính
Khi làm việc với AC, các tham số sau phải được xem xét:
Điện áp/dòng điện cực đại: Biên độ cực đại của dạng sóng.
Tính thường xuyên: Số chu kỳ dạng sóng trong một giây. Thời gian hoàn thành một chu kỳ gọi làGiai đoạn.
Điện áp/dòng điện trung bình: Giá trị trung bình của tất cả các điểm điện áp trong một chu kỳ. Ở dạng sóng AC thuần túy không có độ lệch DC, giá trị này bằng 0 vì nửa dương và nửa âm triệt tiêu lẫn nhau.
RMS (Root Mean Square) Điện áp/Dòng điện: Bình phương trung bình gốc của các giá trị điện áp tức thời trong một chu kỳ. Đối với sóng hình sin AC thuần túy, điều này có thể được tính bằng Công thức.
RMS tương đương với nguồn DC cần thiết để tạo ra hiệu ứng sưởi ấm tương tự. Định nghĩa này, mặc dù phức tạp, cung cấp "giá trị hiệu dụng" của AC và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, thường được ký hiệu là VAC.
Giai đoạn: Độ lệch góc giữa hai dạng sóng. Một chu kỳ AC đầy đủ kéo dài 360 độ, với các đỉnh ở 90 độ (dương) và 270 độ (âm) và không giao nhau ở 180 độ và 360 độ.
Nếu hai dạng sóng được vẽ cùng nhau và một dạng sóng đạt đến đỉnh dương trong khi dạng sóng kia đạt đến đỉnh âm (ví dụ: 90 độ so với . 270 độ ), thì chúng có độ lệch pha 180 độ và được gọi là lệch pha. Độ lệch pha 0 độ cho thấy dạng sóng cùng pha.
AC trong truyền tải điện
AC là phương pháp chính để truyền tải điện từ nhà máy điện đến người dùng cuối. Điều này là do AC cho phép chuyển đổi điện áp hiệu quả trong quá trình truyền tải.
Các nhà máy điện tạo ra điện ở mức ~40.000 V (40 kV), sau đó được tăng cường lên150–800kVđể truyền-khoảng cách xa nhằm giảm thiểu tổn thất điện trở.
Gần đến đích, điện áp giảm xuống4–35kV, và cuối cùng là120V hoặc 240Vđể sử dụng cho khu dân cư.
DC không thể dễ dàng đạt được sự biến đổi điện áp như vậy, vì máy biến áp tuyến tính (dựa vào sự dao động điện áp) chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều.
Bộ nguồn tuyến tính AC/DC
Bộ nguồn tuyến tính AC/DC tuân theo các bước sau:
Hình 2: Sơ đồ khối chức năng
Máy biến áp hạ thế-: Giảm điện áp đầu vào AC.
Chỉnh lưu: Chuyển đổi AC thành DC xung.
Lọc: Làm mịn dạng sóng DC.
Thuận lợi: Thiết kế đơn giản, trưởng thành qua nhiều thập kỷ với hiệu suất và phạm vi công suất được cải thiện.
Hạn chế:
Kích cỡ: Hoạt động ở tần số -thấp (ví dụ: 50 Hz) cần có máy biến áp lớn, nặng để truyền điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
Điều chỉnh điện áp: Bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu tán năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt. Ở công suất cao, điều này đòi hỏi tản nhiệt lớn, khiến việc quản lý nhiệt trở nên không thực tế.
Chuyển đổi AC/DC-Chế độ Nguồn điện
Để giải quyết những hạn chế của thiết kế tuyến tính,-bộ cấp nguồn ở chế độ chuyển đổi đã được phát triển :
Chỉnh lưu/lọc đầu vào: AC được chuyển đổi trực tiếp thành DC.
Mạch cắt điện: Chuyển đổi DC thành các xung tần số cao.
Máy biến áp hạ thế-: Sử dụng máy biến áp tần số cao,-nhỏ gọn.
Chỉnh lưu/lọc đầu ra: Tạo ra DC ổn định.
Thuận lợi:
Kích thước nhỏ gọn: Hoạt động ở tần số-cao cho phép sử dụng máy biến áp nhỏ hơn.
Hiệu quả cao: Mất năng lượng tối thiểu so với thiết kế tuyến tính.
Quản lý nhiệt: Giảm khả năng tản nhiệt giúp loại bỏ các tản nhiệt cồng kềnh.
Thử thách:
Tiếng ồn: Việc chuyển đổi tần số-cao gây ra nhiễu điện từ (EMI), yêu cầu phải lọc nâng cao.
Độ phức tạp: Mạch điều khiển phức tạp hơn nhưng có thể quản lý được bằng các bộ phận tích hợp hiện đại.
Bản tóm tắt
Nguồn điện AC/DC có mặt khắp nơi, chuyển đổi AC thành DC ổn định cho các thiết bị điện tử. Những điểm chính:
Truyền AC và DC: AC thống trị lưới điện nhờ chuyển đổi điện áp hiệu quả.
Hệ thống một pha so với hệ thống ba pha:
Một{0}}giai đoạn: Đơn giản hơn, đủ dùng cho hộ gia đình.
Ba{0}}pha: Cung cấp năng lượng cao, ổn định cho các ứng dụng công nghiệp.
Sự phát triển của thiết kế:
Nguồn cung cấp tuyến tính: Bị giới hạn bởi kích thước và hiệu quả nhưng đơn giản.
Chuyển đổi nguồn cung cấp chế độ: Nhỏ gọn, hiệu quả và chiếm ưu thế trong các ứng dụng hiện đại.
