วงจรเรียงกระแส 3 เฟสแบบควบคุมได้
(3 Phase Controlled Power Rectifier Circuit)
วงจรเรียงกระแสแบบสามเฟส
วงจรเรียงกระแส 3 เฟสแบบควบคุมได้ เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังในสวิตซ์คือ ไทริสเตอร์ (Thyristor) ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์ในการแปลงผันกำลังงานไฟฟ้ากระแสสลับจากระบบไฟฟ้า 3 เฟสมาเป็นไฟฟ้ากระแสตรงแบบควบคุมได้
วงจรเรียงกระแสสามเฟสสามารถใช้รูปแบบของวงจร ครึ่งคลื่น, วงจรแบบเต็มคลื่นโดยใช้หม้อแปลง center tap และแบบสะพานเต็มคลื่น thyristors จะถูกใช้กันโดยทั่วไปแทนที่ไดโอด เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต. อุปกรณ์จำนวนมาก ที่สร้าง กระแสสลับ (บางอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า alternator) สร้างไฟ AC สามเฟส. ตัวอย่างเช่น กระแสสลับในรถยนต์ มีหกไดโอดอยู่ภายใน ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น สำหรับชาร์จแบตเตอรี่
วงจรเรียงกระแส 3เฟสเต็มคลื่นแบบควบคุมได้
วงจรเรียงกระแส 3เฟสเต็มคลื่นแบบควบคุมได้
จะใช้ไทริสเตอร์จำนวน 6 ตัว
ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงแบบควบคุมได้
วงจรแปลงผันกำลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส จะยังคงจ่ายกำลังงานให้กับตัว Load
สำหรับวงจรเรียงกระแสสามเฟสเต็มคลื่นโดยใช้ไดโอดที่ no load ค่าแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยตามทฤษฎีคือ
ถ้า thyristors ถูกนำมาใช้แทนไดโอด แรงดัน output จะลดลง ตามปัจจัย cos (α) :
หรือแสดงในแง่ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต line-to-line:
เมื่อ:
VLLpeak คือ ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าอินพุต line-to-line
Vpeak คือ ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าของเฟส(line-to-neutral)
**α เป็นมุมยิงของ thyristor (0 ถ้าใช้ไดโอดในการเรียงกระแส)
VLLpeak คือ ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าอินพุต line-to-line
Vpeak คือ ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าของเฟส(line-to-neutral)
**α เป็นมุมยิงของ thyristor (0 ถ้าใช้ไดโอดในการเรียงกระแส)
วงจรเรียงกระแสแบบสามเฟสเต็มคลื่น ใช้ thyristors เป็นตัว switching
รูปกราฟแสดงผล Vab Vbc และVca
รูปคลื่นแรงดันระหว่างสายและลําดับของสัญญาณจุดชนวนเกตของไทริสเตอร์
จากรูปจะพบว่าลักษณะลำดับการจุดชนวนเกตของไทริสเตอร์ทั้ง6ตัว จะเป็นไปตามลำดับดังนี้
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 6 และ 1 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 0°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 1 และ 2 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 60°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 2 และ 3 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 120°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 3
และ 4 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 180°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 4 และ 5 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 240°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 5 และ 6 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 300°
-ไทริสเตอร์ตัวที่ 6 และ 1 จะทำงานพร้อมกันที่มุม α = 360°
เมื่อเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงแบบควบคุมได้
ไฟ้ฟ้ากระแสตรงก็จะจ่ายกำลังงานให้กับLoad ซึ่งLoadในวงจรไฟฟ้านั้นมีอยู่ด้วยกันหลายแบบอย่าง
ส่วนในที่นี้จะยกตัวอย่างประเภทของLoad 3 ประเภท คือ R RC และ RL
กำหนดให้ Vline-line (rms)=311,R=100 และแรงดันที่มุมจุดชนวนเกต(Vg) = 0,30,45และ60 องศา
รูปวงจรวงจรเรียงกระแสแบบ 3 เฟส เมื่อภาระเป็นตัวต้านทาน
รูปแสดงผลกราฟ Va Vb Vc
รูปแสดงผลกราฟ Vline-line
รูปกราฟแสดงผล Ia Ib Ic
ซึ่ง Va, Vb, Vc จะเกิดเป็นกราฟไซน์มุมต่างกัน120องศา และ Va, Vb, Vc, Vab, Vbc, Vca, Ia, IbและIc จะเกิดเป็นกราฟกระแสสลับมีทั้งค่าบวกและค่าลบ
รูปกราฟแสดงผล V out เทียบกับ Vline-line เมื่อปรับแรงดันมุมที่จุดชนวนเกต = 0 องศา
รูปกราฟแสดงผล V out เทียบกับ Vline-lineเมื่อปรับแรงดันมุมที่จุดชนวนเกต = 30 องศา
รูปกราฟแสดงผล Vout เทียบกับ Vline-line เมื่อปรับแรงดันมุมที่จุดชนวนเกต = 45 องศา
รูปกราฟแสดงผล Vout เทียบกับ Vline-line เมื่อปรับแรงดันมุมที่จุดชนวนเกต
= 60 องศา
จะเห็นว่ารูปคลื่นแรงดันตกครอมภาระ(Vout)ที่มีมุมจุดชนวนเกต α มีค่าระหว่างมุม 0°
ถึง 60° กระแสของ ภาระจะไหลอย่างต่อเนื่องแต่ลักษณะของกราฟจะแตกต่างกัน ส่วนค่า Voutเฉลี่ย จะได้ดังนี้
จากสูตร 
- เมื่อปรับแรงดันที่จุดชนวนเกตเท่ากับ 30
- เมื่อปรับแรงดันที่จุดชนวนเกตเท่ากับ 45
- เมื่อปรับแรงดันที่จุดชนวนเกตเท่ากับ 60
สรุปได้ว่า ในการต่อวงจรเรียงกระแสแบบสามเฟสเมื่อใช้loadเป็นตัวต้านทานจะสามารถควบคุมค่าแรงดันเฉลี่ยได้โดยการปรับค่าแรงดันที่จุดชนวนเกต ถ้าปรับแรงดันที่จุดชนวนเกตมากขึ้น ค่าแรงดันเฉลี่ยที่ออกมาจะน้อยลง
วงจรเรียงกระแสแบบ 3 เฟส เมื่อภาระเป็นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ (RC)
กำหนดให้ Vline-line (rms)=311,R=100 และแรงดันที่จุดชนวนเกต(Vg) = 30,45และ60
ต้องการหาค่าตัวเก็บประจุ(C)เพื่อเปรียบเทียบค่าของแรงดันเฉลี่ยเมื่อค่าCต่างกัน
รูปวงจรวงจรเรียงกระแสแบบ 3 เฟส เมื่อภาระเป็นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ
ขั้นตอนแรกได้ทำการทดลองใส่ค่า C = 1 F, 1000 F และ1×10-6 F
จากรูปกราฟข้างต้นจะพบว่าค่า C ทำให้กราฟของ Vout เปลี่ยนแปลง โดยถ้าใส่ค่า C = 1 F กราฟที่ได้จะเป็นเส้นตรงและค่าVoutที่ได้ใกล้เคียงกับVinมาก และถ้าใส่ค่ามากเกินไปกราฟจะเกิดความชัน ถ้าใส่ค่าน้อยไปก็จะเกิดการกระเพื่อมของคลื่นมากขึ้นและค่าของVoutจะลดลง
สรุปได้ว่า ค่าของตัวเก็บประจุทำให้การกระเพื่อมของกราฟเปลี่ยนแปลง ตามสูตรของอัตราการล่อคลื่น (ripple factor)
C คือ ค่าตัวเก็บประจุ
f คือ ความถี่ของระบบไฟฟ้า
R คือ ค่าความต้านทาน
%r คือ อัตราการล่อคลื่น (ripple factor)
เมื่อเปลี่ยนค่าอัตราการล่อคลื่น จะได้ค่าตัวเก็บประจุและกราฟของ Vout แตกต่างกันไป
ตัวอย่างการคำนวณหาค่า C จากสูตร
ต้องการให้กราฟเกิดการกระเพื่อมน้อยมากๆ จึงกำหนดอัตราการล่อคลื่นเท่ากับ 0.1
ต้องการให้กราฟเกิดการกระเพื่อมมากขึ้น จึงกำหนดอัตราการล่อคลื่นเท่ากับ 3
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, C =0.002 F และ Vg=30 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, C =0.00006 F และ Vg=30 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, C =0.002 F และ Vg=45 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, C =0.00006 F และ Vg=45 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, C =0.002 F และ Vg=60 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, C =0.00006 F และ Vg=60 องศา
ตารางเปรียบเทียบเมื่อเปลี่ยนค่า ripple factor
สรุปได้ว่า การใส่ตัวเก็บประจุลงไปในวงจรเรียงกระแส นั้นมีผลต่ออัตราการล่อคลื่นของกราฟ Vout เมื่อค่าตัวเก็บประจุน้อยลงค่าแรงดันเฉลี่ยและที่ได้ก็จะน้อยลงด้วย หรือเมื่อมีการกระเพื่อมของคลื่นมากค่าแรงเฉลี่ยก็จะลดลง ส่วนการกระตุ้นแรงดันที่มุมจุดชนวนเกตที่ค่าตัวเก็บประจุเท่ากัน มุม30 องศาจะได้ค่าแรงดันเฉลี่ยมากกว่ามุม 45 และ 60 องศา นั้นก็คือถ้าจุดชวนที่ค่ามุมมาก แรงดันเฉลี่ยที่ได้ก็จะน้อย
วงจรเรียงกระแสแบบ 3 เฟส เมื่อภาระเป็นตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำ (RL)
กำหนดให้ Vline-line (rms)=311,R=100 และแรงดันที่จุดชนวนเกต(Vg) = 30,45และ60 องศา
ต้องการหาค่าตัวเหนี่ยวนำ(L) เพื่อเปรียบเทียบค่าของกระแสเฉลี่ยเมื่อค่าLต่างกัน
รูปวงจรวงจรเรียงกระแสแบบ 3 เฟส เมื่อภาระเป็นตัวต้านและตัวเหนี่ยวนำ
เมื่อใส่ตัวเหนี่ยวนำเข้าไปในวงจรเรียงกระแสจะคล้ายกับการใส่ตัวเก็บประจุ แต่ตัวเหนี่ยวนำจะทำให้กราฟของ Iout เกิดการเปลี่ยนแปลง นั่นคือขึ้นอยู่กับอัตราการล่อคลื่นเช่นกัน แต่สูตรของอัตราการล่อคลื่นจะแตกต่างกัน
L คือ ค่าตัวเหนี่ยวนำ
f คือ ความถี่ของระบบไฟฟ้า
R คือ ค่าความต้านทาน
%r คือ อัตราการล่อคลื่น (ripple factor)
ตัวอย่างการคำนวณหาค่า L จากสูตร
ต้องการให้กราฟเกิดการกระเพื่อมน้อยมากๆ จึงกำหนดอัตราการล่อคลื่นเท่ากับ 0.1
ต้องการให้กราฟเกิดการกระเพื่อมน้อยมากๆ จึงกำหนดอัตราการล่อคลื่นเท่ากับ 3
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, L=0.7564H และ Vg=30°
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, L=0.0252H และ Vg=30 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, L=0.7564H และ Vg=45 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, L=0.0252H และ Vg=45 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =0.1, L=0.7564H และ Vg=60 องศา
กราฟแสดงผล Iout และ Vout เมื่อ %r =3, L=0.0252H และ Vg=60 องศา
ตารางเปรียบเทียบเมื่อเปลี่ยนค่า ripple factor
สรุปได้ว่า การใส่ตัวเหนี่ยวนำลงไปในวงจรเรียงกระแส นั้นมีผลต่ออัตราการล่อคลื่นของกราฟ Iout เมื่อค่าตัวเหนี่ยวนำลดลง ค่ากระแสเฉลี่ยที่ได้จะมากขึ้น หรือเมื่อมีการกระเพื่อมของคลื่นมากค่ากระแสเฉลี่ยก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ส่วนการกระตุ้นแรงดันที่มุมจุดชนวนเกตที่ค่าตัวเหนี่ยวนำเท่ากัน มุม30 องศา จะได้ค่ากระแสเฉลี่ยมากกว่ามุม 45 และ 60 องศา นั้นก็คือถ้าจุดชวนที่ค่ามุมมาก กระแสเฉลี่ยที่ได้ก็จะน้อยลง และในมุมจุดชนวนเกตเดียวกันไม่ว่าค่าตัวเหนี่ยวนำจะเป็นเท่าไหร่ค่าแรงดันเฉลี่ยจะเท่ากันเสมอ
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
1. รัฐษากรณ์ สุริยกกุล ณ อยุธยา , วงจรเรียงกระแส
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Ripple_(electrical)
3.http://archive.lib.cmu.ac.th/full/T/2550/enel1050pl_ch2.pdf
