Giáo trình Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập): Phần 2

Chia sẻ: Hi Vi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:235

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nố tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn giáo trình "Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập)" trình bày các nội dung: Bộ biến đổi DC-AC, bài tập bộ biến đổi DC-AC, bộ biến đổi AC-AC, bài tập bộ biến đổi AC-AC, bộ biến đổi đa bậc, bài tập bộ kiến đổi đa bậc. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập): Phần 2

6IẮ 0 m in i BIỆN TỬ CÙHG 8UẤT-BỞ BIẾH B ấl (LỶ THUYẾT-BÀI TẬP) CHƯỨH6 B: Bệ BIẾU BỔI BC-AC c iiíd N t 6 Bộ BIẾN BỔI DC-A6 6.1 TỔNG QUAN Mạch nghịch lưu được sử dụng để tạo ra điện áp xoay chiều AC một pha hoặc nhiều pha từ nguồn điện một chiểu DC. Trong các mạch nghịch lưu nhiều pha, mạch nghịch lưu 3 pha chiếm số lượng lớn nhất. Các mạch nghịch lưu được sử dụng rất phổ biến trong điều khiển tốc độ động cơ. Các mạch nghịch lưu điển hình dùng trong ứng dụng này thường được gọi là mạch nghịch lưu nguồn áp đóng ngắt cứng (hard-switching), có khả năng tạo ra tín hiệu điện áp dạng xung PWM trong đó chứa một thành phần cơ bản dạng sin. Bên cạnh đó, mạch nghịch lưu 1 pha được sử dụng chủ yếu trong các bộ nguồn liên tục (UPS) dùng cho máy tính và các thiết bị quan trọng. Trong các mạch nghịch lưu 1 pha, dạng sóng ngõ ra có thể là dạng xung vuông hoặc xung gần như hình sin chuẩn. Bên cạnh các mạch nghịch lưu đóng ngắt cứng, các nghiên cứu hiện nay còn tập trung vào các mạch nghịch lưu sử dụng kỹ thuật đóng ngắt mềm. Trong các mạch nghịch lưu đóng ngắt mềm có thêm mạch dao động trung gian để tạo khả năng kích dẫn và kích ngắt các linh kiện công suất tại các thời điểm điện áp zero hoặc dòng điện zero. Một phân lớp khác của mạch nghịch lưu là các mạch nghịch lưu chuyển mạch bằng điện áp lưới với phạm vi công suất hàng MW, các mạch nghịch lưu này sử dụng các thyristor (còn gọi là SCR) để làm linh kiện đóng ngắt. SCR là linh kiện chỉ có thể điều khiển kích dẫn. Sau khi được kích dẫn, SCR duy trì trạng thái dẫn và khi dòng điện qua SCR giảm về 0 thì SCR mới chuyển qua trạng thái ngắt.
ClưdHC 8: lộ » IẼ « BỐI DC-ÃO _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 6 IÂ 0 TB IN gB IỆ H TỪ CỦH8 SMẦT-gộ BIẾU BÓI (IỶ TiO YẾT-B À I TẬP) _ Thông thường mạch nghịch lưu sử dụng SCR được ứng dụng làm DC-link giữa các lưới điện, dùng trong truyền tải điện với khoảng cách rất xa hoặc trong điều khiển các động cơ công suất rất lớn. Tuy nhiên, hiện nay ứng dụng của mạch nghịch lưu trong diều khiển dộng cơ công suất lớn đang dần được đảm nhiệm bởi các mạch nghịch lưu đóng ngắt cứng đa bậc. Các mạch nghịch lưu hiện đại sử dụng linh kiện đóng ngắt là IGBT. Bên cạnh đó, các loại MOSFET công suất cũng được sử dụng, đặc biệt trong phạm vi công suất và diện áp thấp nhưng cần hiệu suất cao và tần số hoạt động cao. Trong những năm gần dây các loại IGBT, MOSFET và các mạch điều khiển, mạch bảo vệ đi kèm các linh kiện này đã có sự phát triển vượt bậc. Các IGBT hiện đại có thể hoạt động với điện áp lên đến 3300 (V) và dòng điện lên đến 1200 (A). Các loại MOSFET có thể đạt đến trạng thái dẫn chỉ mà điện trở khi dẫn chỉ vài mQ. Bên cạnh sự phát triển của các linh kiện, các nhà sản xuất còn cung cấp nhiều mạch điều khiển có chức năng cách ly tốt, có thể bảo vệ linh kiện dưới nhiều sự cố khác nhau. Hiện nay, một sô lượng lớn các dạng mạch nghịch lưu khác cũng dang dược nghiên cứu, phát triển. ❖ Một số vân để cơ bản Mạch nghịch lưu là một trong các dạng mạch diện tử công suất cơ bản. Chức năng chính của mạch điện tử công suất là thực hiện việc biến đổi năng lượng điện. Một trong những tiêu chí quan trọng khi đánh giá các mạch điện tử công suất, như mạch nghịch lưu, chính là hiệu suất biến đổi năng lượng. Để mạch nghịch lưu hoạt động với hiệu suất cao nhất, cần phải hạn chế đến mức thấp nhất các tổn hao năng lượng trong mạch, mà chủ yếu là ở nhiệt lượng tòa ra trên các linh kiện bán dẫn. Bên cạnh đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng cũng là một vấn đề quan trọng, đặc biệt trong trường hợp mạch nghịch lưu dược cấp nguồn từ ắc quy (ví dụ như trong xe hơi). Năng lượng tổn hao tức thời trên linh kiện khi thực hiện việc đóng ngắt được xác định bằng tích số giữa giá trị tức thời của dòng điện qua linh kiện và điện áp hai đầu linh kiện. IM
6IÃ0 T ÍH BIỆHT C N S Ấ Ệ B N B I (LÝ TM1YẾHẤI TẬ ) B B Ừ Ồ G B T-B IÊ Ổ P CIƯƯH6 8: Bộ BIÊN BỔI DC-AC Như vậy, nếu như tại thời điểm linh kiện đóng ngắt, dòng điện qua linh kiện bằng 0 hoặc điện áp hai đầu linh kiện bằng 0 thì tổn hao công suất xem như bằng 0. Tổn hao đóng ngắt trên linh kiện xuất hiện trong 2 trạng thái: kích dẫn và kích ngắt. Khi linh kiện ỏ trạng thái dẫn, trên thực tế điện áp hai đầu linh kiện không bao giờ bằng 0 (điện áp này vào khoảng 1-2 V đối với IGBT, hoặc dưới 0,5 V đối với MOSFET). Hiện tượng tổn hao khi linh kiện đóng ngắt chủ yếu là do trong quá trình chuyển đổi kích dân hay kích ngắt thì dòng điện vẫn chạy qua linh kiện trong khi hai đầu linh kiện vẫn tồn tại một giá trị điện áp nhỏ. Để giảm thiểu tổn hao đóng ngắt, các quá trình chuyển đổi trạng thái khi kích dẫn hay kích ngắt cần phải được thực hiện trong một thời gian rất ngắt (thường từ vài trăm nano giây), đổng thời tần số đóng ngắt tối da cũng cần được quan tâm. Nhằm tránh các nhiễu ở tần số có thể nghe thấy khi điều khiển các mạch điện tử công suất trong động cơ điện hay máy biến áp, hầu hết các mạch nghịch lưu hiện đại đều hoạt động với tần số đóng ngắt từ 10 kHz trở lên. ❖ Các mạch nghịch lưu 1 pha Hình 6.1 giới thiệu sơ đổ cơ bản của một mạch nghịch lưu dạng cầu với ngõ ra 1 pha. 11 S
eiưếns 8: lậ B N B I Đ -A ' •. IẾ Ổ C C H T IN BIỆHT C H SUẤT-lộ B UB I (LÝ TBIYẾT-BÀI TẬP) ÁO H H Ử Ồ6 IẾ Ổ Mạch gồm 2 nhánh, một nhánh bên trái và một nhánh bên phải, mỗi nhánh gồm 2 IGBT mắc nối tiếp, mỗi IGBT có 1 diode mắc đối song. Diode có chức năng tạo ra đường dẫn cho dòng điện trong trường hợp IGBT ngắt. Tải được mắc giữa điểm giữa của 2 nhánh này. Chính vì vậy sơ đồ này còn được gọi là mạch nghịch lưu cầu H. Mạch điện được điều khiển bằng cách thay đổi thời gian ở trạng thái dẫn của các IGBT trên các nhánh. Một điều quan trọng cần lưu ý là 2 IGBT trên cùng một nhánh, ví dụ IGBT1 và IGBT2, thì không bao giờ được phép dẫn đồng thời. Khi 2 IGBT này dẫn đồng thời thì sẽ làm ngắn mạch nguồn DC. Các mạch điều khiển có thêm chức năng tạo ra một khoảng thời gian chết (dead-time) vào khoảng 500 đến 1000 nano giây để đảm bảo 2 IGBT trên cùng một nhánh không dẫn cùng lúc. Vai trò của bộ điều khiển ở đây chủ yếu là điều khiển hệ số đóng duty cycle của từng khóa bán dẫn (IGBT). Trong mạch nghịch lưu 1 pha điều khiển bằng kỹ thuật sin PWM, điện áp ngõ ra của mạch nghịch lưu được xác định theo công thức: ^ad (0 = maVơ sin(uự), 0 < ma < 1 c ( 6 - 1) Trong đó ma được gọi là hệ số điều chế. Phạm vi của ma nằm từ 0 đến 1, các giá trị ma > 1 thì ứng với trường hợp quá điều chế và gây ra độ méo dạng cao ở điện áp ngõ ra. Điện áp ngõ ra của mạch nghịch lưu được lọc bằng một bộ lọc thông thấp LC. Sau khi được lọc thì dạng sóng điện áp ngỗ ra sẽ gần giống như tín hiệu điều chế, với tần số bằng với tần số tín hiệu điều chế. Điều này có nghĩa là tần số, dạng sóng và biên độ của điện áp ngõ ra trong mạch nghịch lưu có thể được điều khiển khi tần số đóng ngắt lớn hơn từ 25 đến 100 lần so với thành phần tần số cơ bản của điện áp ngõ ra. Tín hiệu PWM dùng để điều khiển mạch nghịch lưu thường được phát bởi các mạch vi điều khiển và xử lý số. ❖ Các mạch nghịch lưu 3 pha Hình 6.2 giới thiệu sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha, đây là dạng mạch nghịch lưu được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển máy điện. 12 S
6IÂ 0 T llN I flIÊ H TỬ CỒIMB SPẨT-BỘ BIẾU BỔI (LỶ T B 1Y Ế H À I TẬP) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ C IƯ 0H6 8: BỘ BIẾM BỔI 1C-AC ___ _ r 2 sDa+ ¿H k 2 ^Db+ 1 2ỈDC+ + O A Vdc H Ẽ A1 i n R KJ D B '---- :-------- O c c ' ¿ B2lk GT 0 .- ™ lC 2 U - ¿ H k ịDc- 2 Hình 6.2: Sơ đồ mạch nghịch lưu dạng cầu 3 pha. Mạch nghịch lưu dạng cầu 3 pha có cấu trúc tương tự như mạch nghịch lưu cầu H 1 pha, nhưng có thêm một nhánh thứ 3. Kỹ thuật điều khiển cho mạch nghịch lưu cầu 3 pha cũng tương tự như đối với mạch nghịch lưu cầu 1 pha, trong trường hợp này các sóng điều khiển cho mỗi pha sẽ lệch pha nhau 120° (thay vì 180° như trong mạch nghịch lưu 1 pha). Do hiện tượng dịch pha này mà các thành phần hài bội số lẻ của 3 (bậc 3, 9, 15,...) của sóng tham chiếu trên mỗi nhánh sẽ dược loại bỏ khởi diện áp ngõ ra đo ở 2 pha với nhau (điện áp dây). Các thành phần hài bậc chẵn cũng được khử nếu như điện áp ngõ ra có dạng sin chuẩn. Trong vùng điều chế tuyến tính, biên độ điện áp ngõ ra có giá trị nhỏ hơn so với biên độ điện áp chình lưu 3 pha cấp cho bus DC, với tỷ lệ là: — 73 =827% (6-2) ZT 7 Để bù đắp sự sụt giảm này, trong kỹ thuật điều khiển giảm sóng hài còn được cộng thêm một thành phần hài bậc 3 vào điện áp tham chiếu trên mỗi pha nhằm làm tăng biên độ điện áp ngõ ra. Hình 6.3 thể hiện dạng sóng ngõ ra điển hình của một mạch nghịch lưu 3 pha trong giai đoạn quá độ khi khởi động với một tải động cơ địển hình. Trong hình 6.3, đồ thị nằm trên thể hiện tín hiệu điện áp dây đo giữa pha A và B, đồ thị nằm dưới là dạng sóng dòng điện 3 pha. Có thể thấy động cơ đóng vai trò như một bộ lọc thông thấp, trong đó dòng điện qua động cơ có dạng gần như hình sin (giống với tín hiệu điều chế) với độ nhấp nhô là không đáng kể. 151
C W M M 8: l ệ M Ế U BỔI BC-AC ‘ ' B Ắ B T liM BIỆH TỬ C Ù M SBẤT-IỘ BIẾM BỔI ( IỶ TB U Y Ế T-IÀ I TẬP) SEL»! i -40 0V*-.............................................................................................................................................................-* V(A.B) -10A ị ............................*r-............................ - I .............................. T ........................................................ .........................................................-i Ot 10m$ 20ms 30ms 40ms 50ms KRJoadLa) O l(RJoadJ>) o l(RJoad_c) Time Hình 6.3: Dạng sóng dòng điện và điện áp điển hình trong mạch nghịch lưu cầu 3 pha. Tương tự như mạch nghịch lưu 1 pha, mạch nghịch lưu 3 pha cũng có thể truyền đi và nhận lại công suất tác dụng và công suất phản kháng. Trong nhiều trường hợp, bus DC của mạch được cấp nguồn bằng mạch chỉnh lưu diode diện áp từ lưới, do đó công suất AC không thể trả về lưới. Việc trả công suất về lưới trong một mạch nghịch lưu cấp nguồn bằng mạch chỉnh lưu có thể làm tăng điện áp của bus DC vượt qua giới hạn cho phép. Nếu công suất ở tải chĩ trả ngược về lưới trong một khoảng thời gian ngắn, ví dụ khi động cơ hãm theo chu kỳ làm việc, thì điện áp ở bus DC có thể được giới hạn bằng cách cho một phần năng lượng trả về được tiêu tán trên điện trở hãm. Để thực hiện việc hãm với điện trở, cần sử dụng thêm một mạch chopper với 1 IGBT mắc nối tiếp điện trở như hình 6.4. Trong trường hợp quá trình tái sinh năng lượng diễn ra trong thời gian dài hơn, mạch chỉnh lưu có thể được thay thế bỏi một mạch nghịch lưu 3 pha khác. IM
C OTBÌHi AIỆH T C H S Ấ -B B N B I (IỶ TIUYẾT-8ÀI TẬP) IÀ Ử Ù 6 U T Ộ IẾ Ổ C Ư H E BIẾN B I IC-AC H Ư8 ệ Ổ RB k ế _ ra e ỊêEEllk ẠDa+ Ạ D+ b |L ạ D+ c V c-EẸ- d A ______________ -0 Ạ 1 J J B _____ -ộ c J0 -õ é BrakeJGBTjr ỊG T B ạịL ¿Da- gẼĩíll Ậ D - Ị£ẼI?|L Ậ Ó b c Hình 6.4: Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu 3 pha có IGBT hãm chopper. Mạch nghịch lưu này đôi khi còn được gọi là mạch chỉnh lưu đồng bộ có điều khiển. Hệ thống 2 mạch nghịch lưu được thể hiện như hình 6.5. Mặc dù việc mắc thêm một mạch nghịch lưu có thể làm cho chi phí tăng cao, tuy nhiên lúc này hệ thống gồm 2 mạch nghịch lưu mắc đối lưng với nhau có thể dẫn dòng công suất theo cả hai chiều. Ngoài ra việc trao đổi năng lượng giữa hai mạch nghịch lưu với lưới lúc này được thực hiện một cách dễ dàng hơn, cả công suất tác dụng và công suất phản kháng đều có thể được điều khiển một cách độc lập. Bên cạnh đó, thành phần hài dòng điện trong lưới có thể được giảm xuống gần như bằng 0. Hình 6.5: Sơ đổ mạch nghịch lưu 3 phả dẫn dòng công suất 2 chiều. Mạch nghịch lưu được giới thiệu ở hình 6.2 tạo ra điện áp 3 pha nhưng không có điểm trung tính. Có thể mắc thêm một nhánh vào mạch để tạo thành mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh, qua đó tạo ra thêm điểm trung tính cho mạch. Tương tự như vậy, các mạch nghịch lưu 4 pha, 5 pha, n pha có thể được tạo thành dễ dàng bằng cách mắc thêm nhiều nhánh vào mạch. 155
cnmc s B B Mfltfl : ộ IẾ . . . G Oĩlìn Đ NT C N S Ấ ỘB NB I (L TIU A T P IA IỆ Ử Ẻ Í U Ĩ-B IẾ Ổ Ỷ YỂM l Ậ ) ❖ Các mạch nghịch lưu đa bậc Mạch nghịch lưu đa bậc có ưu điểm là có khả năng hoạt động với điện áp cao hơn và thành phần hài dòng điện ngõ ra được giảm thấp hơn so với mạch nghịch lưu 2 bậc. Hình 6.6 giới thiệu sơ đồ một mạch nghịch lưu 3 bậc sử dụng diode kẹp hay còn gọi là mạch NPC 3 bậc. Trong mạch nghịch lưu ở hình 6.6, mỗi nhánh gồm có 4 IG3T mắc nối tiếp nhau, mỗi IGBT có kèm một diode mắc đối song. Mỗi nhánh có thêm 2 diode kẹp. Điện áp ngõ ra được lấy từ điểm giữa của mỗi nhánh. Điện áp ngõ ra có thể nhận giá trị bằng điện áp tại cực dương của bus DC, hoặc bằng 0, hoặc bằng điện áp tại cực âm của bus DC, tức là có tổng cộng 3 mức. Kết quả dẫn đến điện áp dây ở ngõ ra của mạch có tổng cộng 5 mức. Hình 6.6: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 bậc.
ỈIẤ B TRÌNH BIỆNT0 CŨNS SUẤT-BÔ BIỄN BỐI (LÝ TBDVỂT-BÀI TẬP) CBIÍ0NG 8: Bộ BIỂN BÓI DC-AC ❖ Các mạch nghịch lưu chuyển mạch bằng điện áp lưdi .Hình 6.7 giới thiệu sơ đổ của một mạch nghịch lưu chuyển mạch bằng điện áp lưới sử dụng linh kiện SCR. Hình 6.7: Sơ đổ bộ biến đổi chuyển mạch bằng điện áp lưới trong chế độ nghịch lưu. Các SCR trong mạch được đánh số theo trình tự mà chúng được kích dẫn. Mạch điện này có thể hoạt động trong cả chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu, tùy thuộc vào góc kích dẫn SCR trong rnạch. Góc kích dẫn được ký hiệu là a và được đo tính từ thời điểm mà điện áp hai đầu SCR có giá trị bằng 0 và bắt đầu tăng •en giá trị dương (đây chính là thời điểm mà diode trong mạch chỉnh lưu cầu diode bắt đầu dẫn). Góc kích a trễ hơn 30° so với thời điểm mà điện áp pha bắt đầu tăng lên từ 0. Nếu điều khiển để giá trị a lớn hơn 90° thì cực tính của điện áp bus DC sẽ được đảo ngược và lúc này mạch hoạt động ở chế độ nghịch lưu. Nguồn DC ở hình 6.7 thể hiện cực tính điện áp DC trong chế độ vận hành nghịch lưu. Giá trị góc kích dẫn tối đa là 180°, ohăm cung cấp đủ thời gian cẩn thiết cho SCR tiếp theo có thể dan dòng điện tải. Trị trung bình điện áp ngõ ra DC của mạch theo góc kích a và dòng điện Idc được cho ỏ (6-3) với giả định Idc không đổi: K c = - (nỈ2VU cos (a) - u j ụ ơc ) (6-3)
CBNdNG I : B ỉ IIỂ N B ÍIIC -A C GIÁO TRĨNH BIỆN T0 CỒNG SUẤT-BỘ BIỂN BỔI (LÝ TAUYỄT-BÀI TẬP) Trong đó V ll là trị hiệu dụng của điện áp dây AC, (O là tần số góc của điện áp AC, L s là giá trị của các cuộn dây L a , L b , L c trong hình 6.7. Các mạch nghịch lưu chuyển mạch bằng điện áp lưới có hệ số công suất tương đối thấp. Công thức (6-4) thể hiện giá trị hệ số công suất của mạch nghịch lưu ở hình 6.7, ứng với dòng điện DC không đổi và điện cảm lưới AC được bỏ qua. PF = ị oos(a) (6-4) 7r 6.2 BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG DC/AC Các mạch biến đổi năng lượng từ DC sang AC, hay còn gọi là mạch nghịch lưu, có sơ dồ tổng quát được thể hiện như hình 6.8. Trong trường hợp tổng quát, tần số và biên độ của tín hiệư AC là có thể thay đổi được. Các mạch nghịch lưu thực tế được chế tạo chủ yếu là mạch 1 pha và mạch 3 pha, tuy nhiên các mạch nghịch lưu nhiều pha hơn vẫn được sản xuất. Nếu trong mạch nghịch lưu, điện áp DC được chuyển hóa thành diện áp AC thì mạch nghịch lưu này dược gọi là mạch nghịch lưu áp (VSI). Tương tự như vậy, ta có mạch nghịch lưu dòng (CSI), trong đó dòng điện DC được biến đổi thành dòng điện AC. Các mạch nghịch lưu dòng được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền động động cơ AC công suất rất lớn. ❖ Sơ đồ kết nối mạch DC/AC cơ bản (chế dộ xung vuông) Phần này giới thiệu tóm tắt một số kiểu mạch nghịch lưu nguồn áp cơ bản và quá trình hoạt động của mạch. Ngoài ra, sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn dòng cũng sẽ được đề cập. Các sơ đồ mạch được giới thiệu ỏ đây đều giả định sử dụng linh kiện đóng ngắt lý tưởng. 1B S
■ OT À M !ỊẤ BIỆN TỬ CỒHG 8UẤT-BỜ BIẾN BỔI (LÝ TIƯYẾT-BÀI TẬP) CMếỐHE fc lỏ H ẾU B ẩl IC-AC Các mạch nghịch lưu 1 pha được sử dụng phổ biến nhất 9ổm có: Mạch nghịch lưu 1 pha dạng nửa cầu (hình 6.9a). 1SI
C N I: l ị B NB I K-AC BH S IỄ Ổ G OT ÌN B NT0 C N SUẮĨBỘ B NBÍI (LÝ T U Ể -B I tập) IÁ R H IỆ ŨG IẾ HYT A Mạch nghịch lưu 1 pha dạng cầu (hình 6.1 Oa) Hình 6.10: Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng nửa cầu.
GIÁO TRÌNH BIỆN T0 CỐNG SU ÂĨ-IỦ BIẾN BỔI ( L Ỉ THUYỂĨ-BÀI TẬP) CHƠ0N6 6: Bệ BIỂN BỔI DC-AC Và mạch nghịch lưu 1 pha dạng đẩy-kéo (hình 6.11a). Chuỗi đóng ngắt cho các khóa bán dẫn trong các mạch nghịch lưu này ứng với chế độ hoạt động xung vuông cũng được thể hiện •ần lượt trong các hình từ 6.9 đến 6.11. Các mạch nghịch lưu được khảo sát ở đây đều giả định rằng tải là mạch gồm điện trở và điện cảm nối tiếp. Mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha được giới thiệu ở hình 6.12, trong đó tải 3 pha được giả định là đối xứng. Từ các sơ đồ từ hình 6.9 đến hình 6.12 có thể đi đến một số nhận xét sau đây: • Điện áp ngõ ra không có dạng hình sin • Do có sự hiện diện của diode hoàn năng lượng, điện áp ngõ ra có giá trị độc lập với chiều dòng điện tải, và chỉ phụ thuộc vào trạng thái dẫn/ngắt của các khóa đóng ngắt. • Các khóa bán dẫn và diode hoàn năng lượng tạo thành hai mạch chỉnh lưu kết nối đối song với nhau. Các khóa bán dẫn thực hiện việc dẫn dòng năng lượng từ phía DC đến phía AC, còn các diode hoàn năng lượng thì dẫn dòng năng lượng theo chiều ngược lại. • Các diode hoàn năng lượng là cần thiết trong mạch nếu như ngõ ra được kết nối với những tải yêu cầu cả công suất phản kháng hay cần trả về công suất tác dụng. Trong trường hợp tải yêu cẩu công suất phản kháng, chiều của dòng năng lượng chạy trong bộ biến đổi sẽ thay đổi theo chu kỳ (Xem đồ thị dòng điện ĨB trong các hình từ 6.9 đến 6.21).
CrtẩHt 8: «ệglẼN B I BMC Ổ 6IÁ TliM B MTi C H S Ấ rB M HB I (LỶ TIUYẾMÀI TẬ?l Ũ IỆ Ô6 UT Ộ Ế Ổ Hình 6.11 : Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng đẩy-kéo.
* !* ! f ÌMI BIỆH T cùm S Ẩ -B BỐ B I (LÝ ĨIUYẾT-BÀI TẤ ) Ử OT Ù Ổ P C Ư H 8: B IIẾN BỔ C B ƠB ù H -AC Hình 6.13 giới thiệu sơ đổ mạch nghịch lưu nguồn dòng và chuỗi trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn. Vì trong mạch có sự biến thiên nhảy bậc của dòng điện nên phải sử dụng các tụ điện mắc song song với tải. Trong hầu hết các trường hợp, mạch nghịch lưu dòng sử dụng SCR làm linh kiện đóng ngắt, và các tụ diện này chính là phần tử tích trữ năng lượng.
C lg ẩ n t 8: BỘ 8IẼH flấl iC -A C _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ GIẤB T8ÌHB BIỆNcùmc o ẫ n ệ BIẾU BỔI (LỸ T IIIY Ế T-IÀ I T Ậ r ) ĩi ❖ Điều khiển diện áp ngõ ra Trong các mạch nghịch lưu nguồn áp, điện áp ngõ ra được điều khiển bằng những phương pháp sau: IM
jỊÁ O H i m BIỆH TỬ CÕHG »UẤT-BỘ BIẾU ĐỔI (LÝ TIIIYẼT-BÀITẦP) C1ƯƠHB 8: l ộ BIẾN BỔI ĐC-AC • Điều khiển điện áp phía DC (trong các mạch nghịch lưu hoạt động ở chế độ xung vuông). • Kỹ thuật điều khiển bỏ qua điện áp (trong mạch nghịch lưu cầu 1 pha). • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dạng sin với quá, trình đóng ngắt sử dụng điện áp lưỡng cực và đơn cực • Kỹ thuật đóng ngắt được lập trình để loại bỏ thành phần hài • Điều khiển dải sai số. • Điều khiển tần số cô' định. Đối với các mạch nghịch lưu nguồn dòng, ngõ ra được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp DC ngõ vào. Trong hầu hết các trường hợp, điện áp DC được thay đổi bằng mạch chỉnh lưu có điều khiển hoặc mạch băm áp DC. Trong kỹ thuật điều khiển bò qua điện áp, các khoảng thời gian Ton và Toff của các khóa trên 2 nhánh của mạch cầu sẽ được dịch pha nhau như hình 6.14. Trị hiệu dụng của điện áp AC có thể thay đổi giữa 0 và giá trị lớn nhất. Đây là một phương pháp điều khiển đơn giản, trong đó tần số đóng ngắt của linh kiện bán dẫn thì bằng với tần số ngõ ra, nhưng thành phần hài ở điện áp phía AC sẽ có giá trị cao hơn. Do vậy phương pháp này được sử dụng trong các bộ biến đổi với ngõ ra ở tần sô' cao. Tại các tấn sô' thấp hơn, ví dụ 50 hay 60 Hz, các phương pháp diều khiển khác sẽ được sử dụng, và tần số đóng ngắt của linh kiện sẽ cao hơn so với tần sô' ngõ ra. Phương pháp này cho phép làm giảm đáng kể các thành phần hài trong điện áp hoặc dòng điện ngõ ra. Trong các mạch nghịch lưu, kỹ thuật PWM sin dược sử dụng nhằm làm giảm một cách đáng kể các thành phần hài ở ngõ ra. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật PWM sin cho 1 pha trên mạch nghịch lưu nửa cầu được thể hiện ở hình 6.15, trong đó sử dụng phương pháp đóng ngắt điện áp lưỡng cực.
CnfểH6 6: B BIẾN B I K-AC ộ Ổ BẮO TliNI Đ Tl ĨỒH6 IUẤT-»0 B UBỔ (ứ THIYẾT-BAí TẬ ) IỆU IẾ I P VAN >k . 1 S 1,4 ^ A Wft -4 a h «------180°------► VBN Tvd S 2,3 ► W ft «------180°------* w -|t Hình 6.14: Điều khiển bỏ qua điện áp bằng kết nối mạch cầu.
M OTRlHI Đ U T C H S Ấ -B B U Đ I (LỶ TIOYẾHÀI TẬ ) À IỆ Ử Ồ C U T Ộ IẾ Ổ P C H 6: B IIẾH oếl B -A iấO E ệ CC Hình 6.15: Điều chế độ rộng xung bằng đóng ngắt điện áp lưỡng cực. Các khóa S+ và S- hoạt động với một tần số lớn hơn nhiều so với tần số ngõ ra. Trạng thái dẫn (on) và ngắt (off) của khóa được xác định bởi điểm cắt giữa sóng tam giác Vtri với sóng điều khiển dạng sin Vcont- Trong một bán kỳ của điện áp ngõ ra, hệ sô' duty cycle của khóa S+ và s_ gây bởi sóng điều khiển dạng sin có những giá trị khác nhau, do vậy thành phần hài trong điện áp ngõ ra được giảm thiểu. Có thể thay đổi điện áp ngõ ra bằng cách thay doi Vcont- 117
Cmmi68:lủ»IẾH8(il-9UC aấo TB ÌH i BIỆN TỬ CỠH6 SUẨT-IỘ BIẾH BỔI (LỶ TIÜYÊT-BÀI TẬP) Trong ky thuật PWM dạng sin, có 2 thổng số quan trọng cần chú ý: • Hê số điều chế biên đô: ma = —s°ũM • • a I/ Hệ số điều chế tần số: mf = í ị Trong đó fs là tần số đóng ngắt của linh kiện còn fl là tần số cơ bản của điện áp ngõ ra. Tại các giá trị nrif nhỏ (mf < 21), kỹ thuật PWM đổng bộ sẽ được sử dụng. Theo đó, r r if là một số nguyên và V c o n t và V t r i được động bộ với nhau (phương pháp PWM không đồng bộ khi mf không phải là số nguyên sẽ tạo ra các hài phụ của thành phần cơ bản, đây thường là những tín hiệu không mong muốn). Tại các giá trị mt lớn (mf > 21), biên độ của các hài phụ gây bởi kỹ thuật PWM không đồng bộ sẽ có giá trị nhỏ. Do vậy kỹ thuật PWM không đồng bộ có thể được sử dụnq. Tuy nhiên trong trường hợp điêu khiển động cơ, tần số ngõ ra có thể giảm vể 0. Trong trường hợp này các sóng hài phụ của điện áp có thể xuất hiện và gây ra những dòng điện hài không mong muốn với giá trị lớn. Khi ma < 1, kỹ thuật PWM dạng sin hoạt động trong vùng tuyến tính. Biên độ của thành phần tần số cơ bản ở ngõ ra tỷ lệ tuyến tính với ma. Trong vùng hoạt động này, giá trị lớn nhất của thành phần cơ bản sẽ nhỏ hơn giá trị lớn nhất có thể có được, vốn đạt được trong kỹ thuật quá điều chế (với ma > 1). Trong vùng quá điều chế, biên độ thành phần cơ bản và ma không còn tỷ lệ tuyến tính với nhau. Giá trị biên độ lớn nhất của thành phần cơ bản có thể đạt dược là ứng với chế độ xung vuông. Mỗi quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản với ma được thể hiện trên hình 6.16. IM