bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 5

Ứng dụng  Nghịch lưu: Bộ biến đổi DC  AC  Nghịch lưu độc lập = BBĐ DC  AC với U, f do nó quyết định nghịch lưu ô-tô-nôm phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc: một chế độ làm việc của c

CHƯƠNG V NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN

1 Phân loại nghịch lưu

2 Khảo sát nghịch lưu nguồn áp

3 Phương pháp điều khiển điện áp ngỏ ra

4 Sóng hài và nghich lưu hình sin

5 Biến tần nguồn áp

6 Ứng dụng

 Nghịch lưu: Bộ biến đổi DC  AC

 Nghịch lưu độc lập = BBĐ DC  AC với U, f do nó quyết định

(nghịch lưu ô-tô-nôm) phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc: một chế độ làm việc của chỉnh lưu SCR

 Có rất nhiều sơ đồ nghịch lưu khác nhau cho các ứng dụng công nghiệp

V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU:

- Nghịch lưu song song và nối tiếp

- Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp

1 Nghịch lưu song song và nối tiếp:

Phân loại theo vị trí của C tắt SCR ( nghịch lưu chuyển mạch tải)

a Nghịch lưu song song: C song song tải

C +

SCR4

SCR2

SCR3

C R

b Nghịch lưu nối tiếp: C nối tiếp tải

- Kích SCR 2 tạo ra xung dòng âm.

Thường được dùng làm bộ nguồn trung hay cao tần

2 Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp:

a Nghịch lưu nguồn dòng: có L bằng vô cùng ở ngỏ vào



i C

u

Mạch tương đương (C là tụ chuyển mạch)

C

L S4

=> tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: mạch làm việc với nguồn dòng

=> Dòng nguồn iN phẳng, được đóng ngắt thành dòng xoay chiều:

S1, S4 đóng: iO = iN > 0 ;

S2, S3 đóng: iO = – iN < 0

Công suất tải tiêu thụ: Po = U.iN

b Nghịch lưu nguồn áp: có tụ điện C giá trị lớn ở ngỏ vào

=> tổng trở trong của nguồn bằng không

=> nguồn có thể cung cấp và nhận dòng không giới hạn

Các ngắt điện của nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược

=> biên độ áp ra bị giới hạn ở áp nguồn

S4

o i

Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng và dạng áp ngỏ ra NL nguồn áp

So sánh Nghịch lưu nguồn dòng Nghịch lưu nguồn áp

Tải Dòng xung vuông Áp xung vuông, giới hạn ở biên độ

nguồnÁp thay đổi theo tải Dòng thay đổi theo tảiNăng lượng 1 chiều, từ nguồn đến tải 2 chiêù, nguồn trao đổi với tải

V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP:

1 Sơ đồ 1 pha và phương pháp khảo sát gần đúng

2 Sơ đồ 3 pha và các quan hệ điện áp

3 Logic 3 pha

1 Sơ đồ NL 1 pha và phương pháp khảo sát gần đúng

Nghịch lưu 1 pha: dùng luật đóng ngắt của BBĐ chiều làm việc 4 phần

tư sao cho trung bình áp ra bằng không

=> Ngắt điện có khả năng đóng ngắt theo yêu cầu:

- linh kiện họ transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) hay

- SCR + mạch tắt, GTO ở công suất cao hơn (kA)

Ví dụ V.3.1: Tính toán dạng dòng của bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch pha hình V.4.3 Áp nguồn U, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển  độ rộng xung áp qT  /2 , q tính bằng giây.

Xét chu kỳ tực xác lập:

- Phương trình vi phân khi S1, S4 đóng:

q T

4 Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp:

Sử dụng nguyên lý xếp chồng, giả sử chỉ có

thành phần cơ bản u1 (sóng hài bậc 1) là có tác dụng

=>I = I1 là thành phần cơ bản của dòng tải,

TẢI: mạch tương đương của phụ tải ở tần số w.

Tải

u

i 1

1

Từ đó tính được công suất tiêu thụ gần đúng, suy ra hoạt động của tải

Bài tập:

Cho bộ nghịch lưu nguồn áp có áp ngỏ

hình bên với U = 300V, tải R = 10 ohm,

L = 0.1 H, tần số làm việc 50 Hz Tính

dòng (hiệu dụng) qua tải khi xem các

sóng hài bậc cao là không đáng kể.

Tính công suất tiêu thụ, biết  = 120o.

u o

2 Sơ đồ ba pha :

Nghịch lưu nguồn áp 3 pha :

- 3 nghịch lưu một pha lệnh 2/3

- cầu 3 pha làm từ 3 nửa cầu

D5 S4

D2 S2

R

A

S6 D4

hình V.3.2 Sơ đồ NL cầu 3 pha

Áp dây và áp pha sơ đồ này gọi là dạng sóng 6 nấc:

Lấy làm căn bản cho việc khảo sát NL nguồn áp ba pha

C B

D5 S4

D2 S2

R

A

S6 D4

TÍNH TOÁN ÁP NGỎ RA NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP DÙNG HÌNH V.3.2

- Áp các pha đối với trung tính nguồn uAn, uBn, uCn

6 nấc là xung vuông

- Áp pha tải uAN (tải nối hình sao):

3 1

C B

D5 S4

D2 S2

R

A

S6 D4

Tính trực tiếp thành phần cơ bản (hữu dụng) áp pha tải u1A:

Đặt uNn là áp trung tính N của tải so với trung tính nguồn n

U : hài bậc 1 của áp pha A tải

<V.3.3> cho ta thành phần cơ bản của áp pha tải từ luật điều khiển NL

CHÚ Ý: Có thể tính trực tiếp áp pha tải hình Y như bài tập sau:

Bài tập V.3.1: Vẽ trực tiếp dạng áp ra và tính trị số hiệu dụng áp dây, áp pha của nghịch lưu 3 pha nguồn áp tải hình Y.

Xét trạng thái của các ngắt điện suy ra áp pha tải:

C B

D5 S4

D2 S2

R

A

S6 D4

Các trường hợp nối tải vào nguồn U tương

ứng với các trạng thái của ngắt điện

Trường hợp 1: S1, S3, S5 hay S2, S4, S6 đóng: u A = 0 (không xảy ra ở đây) Trường hợp 2: S1, S2, S6 đóng: u A = 2 V/3

Trường hợp 3: S1, S3, S6 hay S1, S2, S3 đóng: u A = V/3

Trường hợp 4: S4, S3, S5 đóng: u A = -2 V/3

Trường hợp 5: S4, S3, S2 hay S4, S5, S6 đóng: u A = -V/3

S1 S4 S5 S2

D5 S4

D2 S2

R

A

S6 D4

hình V.3.2 Sơ đồ NL cầu 3 pha

Tích phân các dạng sóng hình V.3.2.a để tính hiệu dụng, ta có:

áp dây U AB U 2 / 3 áp pha:

2 / 3

A

U U (ứng với biên độ bằng 2 / 3U và 2 / 3 U )

Hệ thống điều khiển hoàn toàn (toàn phần): các ½ cầu đóng/ngắt đão pha => các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện.

Hệ thống điều khiển không hoàn toàn nếu có khoảng thời gian hai ngắt điện của nửa cầu không làm việc => áp ra sẽ phụ thuộc tải.

V.3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP:

1 Công thức căn bản để

phân tích Fourier điện áp ngỏ ra

nghịch lưu nguồn áp:

Hình V.4.1: Dạng xung cơ bản cho

phân tích sóng hài nghịch lưu

- Trục tung là trục đối xứng: vO không có thành phần sin,

- uO có /2 là tâm đối xứng: không có tần số bội chẵn (n ≠2k).

n

U na U

n

Khi a =  (xung chữ nhật)

1 2

1,3,5,7,9 , , , , , ( 1)

n n

Bài tập V.4.1: Không cần tích phân, tính thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) của ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha (hình V.1.7):

Áp dây 1

sin3

1

Bài tập V.4.2:

1 Chứng minh dạng sóng lệch pha hình V.4.3 có góc lệch pha  = 2 / k không có hài bậc

bội k: => Bộ nghịch lưu ba pha không có hài bội 3

2 Chứng minh ở dạng sóng 6 NẤC hình V.3.2a:

- các thành phần Fourier của áp dây vẫn bằng 3các thành phần tương ứng của áp pha.

- Tỉ số giữa các sóng hài bậc cao trên thành phần cơ bản (bậc 1) của áp dây và áp pha là như nhau.

2 Bài toán điều khiển áp ra:

Mục đích:

- Giữ ổn định điện áp ngỏ ra.

- thay đổi theo yêu cầu của tải,

Hình V.4.2: Đặc tính U / f = hằng số theo lý thuyết (a) và thực tế (b)

a Thay đổi áp nguồn cung cấp:

b Điều chế độ rộng xung:

Có hai phương án:

- điều chế một xung

- điều chế nhiều xung: Khi tần số làm việc bé, dòng diện điều rộng nhiều xung nhỏù hơn một xung

u o

Điều khiển áp ra bằng lệch pha (điều rộng một xung)

U U





wt o

S4 = -S3

o i

Bài tập V.4.4: Khảo sát sóng hài của bộ nghịch lưu điều khiển lệch pha theo góc lệch pha (giả sử điều khiển hoàn toàn).

Như đã chứng minh, khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha  , ta có dạng xung điều rộng, bề rộng xung là  và sóng hài bậc n là:

4

sin 2

cho ta đồ thị sau với n =1, 5, 7,

11, 13 Các hài bội ba không cần

xét khi dạng sóng được ứng dụng

cho hệ ba pha.

Hình BTV.4

V.4 SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ NGHỊCH LƯU HÌNH SIN:

1 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao:

- Gây phát nóng phụ: do dòng điện hài bậc cao.

- Gây momen phụ: do các thành phầnbậc cao tạo ra ở động cơ xoay chiều

2 Các phương pháp hạn chế sóng hài: Chia làm hai nhóm:

- Sử dụng bộ nghịch lưu nhiều bậc (dạng sóng nấc thang): sóng hài rất bé, sơ

đồ phức tạp

- Điều chế độ rộng xung (PWM): Có nhiều phương pháp:

- điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải tiến

- triệt tiêu hài chọn trước,

- dùng bộ so sánh có trễ (điều rộng thích nghi)

- điều rộng vector không gian (SVPWM).

Nhược điểm quan trọng là sóng hài ở tần số của sóng mang có biên độ rất lớn:

- không ảnh hưởng tải

- gây tiếng ồn, tổn hao trong lõi sắt

3 Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM):

a Nguyên lý:

u REF

đk u

3 2

6

c

uc: sóng mang (carrier) chu kỳ T

uref: áp chuẫn (đặt – reference)

u

T

Với: - uav là trung bình trong chu kỳ T của 1 xung áp ngỏ ra biên độ U

- u[n] là giá trị của u REF tại chỗ giao với uc

- U CMAX là biên độ cực đại của sóng mang uc

Khi T đủ bé, dạng nấc thang “tương đương” này tiến đến hình sin

<V.4.2> => giá trị điện áp u1 tương ứng với u ref hay biên độ U1 của thành

Ví dụ SPWM:

u REF

đk u

3 2

Hình V.4.6c: Các dạng sóng SPWM

Hình V.4.6.d: Phổ của dạng sóng SPWM hình c Thành phần có n = 41, 43, 83, 85 là có

biên độ cao nhất

Bài tập tính áp ngỏ ra SPWM

b Thông số kỹ thuật điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu:

* Chỉ số điều chế biên độ m a(còn gọi là chỉ số điều chế – modulation index):

P a

CMAX

U m

U



U P : biên độ của áp chuẫn u REF ,

U CMAX : biên độ sóng mang răng cưa

m a : thông số điều khiển, đặc trưng cho yêu cầu điều khiển, có thể lớn hay nhỏ hơn 1

* Chỉ số điều chế tần số m f (thường gọi là bội số điều chế tần số – frequency modulation ratio – vì nó luôn lớn hơn hay bằng 1): là thông số của sơ đồ điều khiển

C f

O

f m

f

f O : tần số ngỏ ra

* Chỉ số điều chế điện áp ngỏ ra m O(gọi tắt là chỉ số điện áp): cho biết hiệu quả của sơ đồ điều chế

1 1

U m

1

sixstep

R O

c Chỉ số điều chế điện áp m Ocủa SPWM ba pha:

Khai triển Fourier u Anvới chỉ số điều chế biên độ ma≤ 1 là thông số:

uAn  0.5 m Ua sin( wt    ) H Mw ( C  Nw )<V.4.4>

Xét thành phần cơ bản của u An:

uAn1  0.5 m Ua sin wt<V.4.4a>

<V.4.4a> chính là <V.4.2a> khi lưu ý biên

độ áp ra chỉ là ½ áp nguồn 1 chiều

Thành phần cơ bản của nghịch lưu xung

vuông tương ứng: 1

42

chỉ số điều chế biên độ m a sơ đồ nghịch lưu 3 pha.

Khi tính toán cho áp pha tải ba pha, <V.3.3> cho ta

Biên độ thành phần cơ bản U1 0.5m U a

chỉ số điện áp m O: 1

4 Các phương pháp điều chế độ rộng xung khác:

a Điều chế theo mẫu:

- thay thế sóng hình sin bằng dạng

sóng nấc thang

- điều chế đối xứng hay không đối

xứng

Hình V.4.9.a: Nguyên lý điều chế theo mẫu: thay thế hình sin bằng dạng nấc thang

Hình V.4.9c: Điều chế không đối xứng

Khi điều chế dối xứng: Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n :

b Điều chế vector không gian - SVM (gọi đầy đủ là điều rộng xung vector không gian - SVPWM):

Tính toán 1 lần cho dạng sóng 3 pha,

Vector không gian của áp ba pha: có các trường

hợp sau:

* Hệ ba pha hình sin đối xứng: vector U

quay góc e

* Nghịch lưu 6 nấc thang: bộ 6 vector U1,

trạng thái nằm trên đường

tròn có bán kính thay đổi,

bằng áp ra mong muốn

*

Trạng thái

Ngắt điện đóng

áp pha tải u A

áp pha tải u B

áp pha tải u C

Vector không gian

1 S1,S5,S6 2U/3 -U/3 -U/3 V1(1,0,0)

2 S1,S2,S6 U/3 U/3 -2U/3 V2(1,1,0)

3 S4,S2,S6 -U/3 2U/3 -U/3 V3 (0,1,0)

4 S4,S2,S3 -2U/3 U/3 U/3 V4(0,1,1)

5 S4,S5,S3 -U/3 -U/3 2U/3 V5 (0,0,1)

6 S1,S5,S3 Vd/3 -2Vd/3 Vd/3 V6(1,0,1)

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian SVPWM:

- mô tả các vector trạng thái SPWM là U*theo các vector của NL sáu nấc thang

- hai trạng thái U0(0,0,0) và U7(1,1,1) có áp bằng 0 được thêm vào để điều chỉnh áp ra

* Công thức cho điều chế vector không gian:

- vector không gian U * = Ua + Ub

2

*.sin( ) 3

tương ứng với chỉ số điện áp m O

giới hạn (cực đại) bằng:

* max

2 1

TsS2

to

U1to

S2

2

U2ta

S5

S3

U2tb

S5S6

U7

S5S6

U72

S5S6

S4

S4to

S6

S12

S6S1

Uo

taS1

Uotb

TcS2

to

c Triệt tiêu các sóng hài chọn trước:

Khi sử dụng những dạng sóng có độ

rộng xung cố định: Áp ra u o:

1 ( ) 1 2 ( ) 2 3

u u  u  u

=> Có thể chọn  để triệt tiêu 2

sóng hài của u o

Ví dụ: Tính các góc  1 ,  2 để dạng sóng v

hình V.4.12.a không có các sóng hài bậc 5,

7 Dạng sóng điều rộng xung hình V.4.12.a

có thể phân tích thành các dạng sóng cơ

bản như hình V.4.12.b và như vậy, ta có:

Cho U 5 và U 7 bằng không, giải ra 

Khi đó U1 = 1.068U hay giá trị hiệu dụng U1R = 0.755U

d Điều chế độ rộng xung sử dụng bộ so sánh có trễ (điều chế delta):

Phản hồi

SO SÁNH SMIT

Out pha A Pha A

3 2

Hình V.4.13b: Các dạng sóng điều rộng xung dùng bộ so sánh có trễ phản hồi dòng điện:

I REF : tín hiệu đặt dòng; i O : phản hồi dòng

v O : dạng áp ra; v 1 : hài cơ bản của điện áp ra

Bất lợi: tần số đóng ngắt phụ thuộc đặc tính tải

V.7 BIẾN TẦN:

- Là BBĐ AC (lưới)  AC (3 pha) có tần số, điện áp thay đổi

- Dùng cho điều khiển động cơ xoay chiều

Có hai dạng biến tần tĩnh:

Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) và biến tần qua trung gian một chiều

1 Biến tần trực tiếp:

o

o i

- Là ứng dụng của bộ chỉnh

lưu điều khiển pha đảo chiều

- điều khiển sao cho áp ngỏ ra

là một dạng sóng xoay chiều có chu

kỳ

Ưu điểm: công suất lớn và rất lớn,

hiệu suất cao nhờ biến đổi trực tiếp

Nhược điểm: tần số ra khá bé (≤1/3) so với tần số lưới điện, có thể khắc phục khi dùng GTO

2 Biến tần có trung gian môt chiều:

Biến tần có trung gian một chiều gồm hai bộ phận:

chỉnh lưu đầu vào nghịch lưu ở đầu ra (nguồn dòng và nguồn áp)

- Biến tần nguồn dòng: công suất lớn, đóng ngắt ở tần số bé, đầu vào là chỉnh lưu SCR

NLNA

NLND

Hình V.7.3: Mạch động lực biến tần nguồn áp dùng IGBT

- Biến tần nguồn áp: sử dụng các ngắt điện một chiều (có điều khiển khóa), có thể đạt chất lượng điện áp ngỏ ra rất cao

- Mạch hãm động năng: Q7 cho phép tiêu thụ lượng điện năng trả về từ tải, không để áp DC tăng cao

Bộ biến tần cần đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:

- Thực hiện được logic ba pha,

thay đổi tần số ra

- Điều khiển áp theo yêu cầu của

tải, thuờng gặp quan hệ U/f = hằng số

- Hạn chế được sóng hài áp

(dòng)

ĐK f

ĐK U

Tải BIẾN TẦN

Lưới

Hình V.7.4: Giống như nghịch lưu, biến tần có 2 tín hiệu điều khiển: điện áp và tần số.

V.8 ỨNG DỤNG:

Bộ nguồn xoay chiều công nghiệp, phân làm các nhóm:

- Theo loại thiết bị sử dụng: máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) và điện

tử công suất (thiết bị tĩnh)

- Theo nguồn điện: đầu vào là nguồn một chiều hay lưới điện xoay chiều

- Theo dãy tần số hoạt động: chia làm các nhóm:

1 Ngỏ ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) cố định: nguồn cho các thiết bị điện

thay thế điện lưới: - bộ lưu điện (UPS – Uninterruped Power Supply)

- Inverter

2 Ngỏ ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến

tần)

3 Ngỏ ra trung tần hay cao tần: Từ 500 Hz đến 25 KHz khi sử dụng SCR hay cao

hơn khi dùng transistor

- là các bộ nguồn cho các công nghệ điện: nung nóng cảm ứng, rung động siêu âm của các vật liệu từ giảo

- Các bộ dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor, làm việc ở tần số từ 50 KHz đến vài MHz dùng cho tôi cao tần hay nung nóng điện môi

1 Các bộ nguồn tần số cao:

Nguyên lý: nung nóng bằng dòng xoáy (eddy current)

Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz:

- Tần số làm việc giảm khi công suất tăng

- Tần số cần phải tăng tăng khi bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép)

2 Điều khiển động cơ AC dùng biến tần:

Phương pháp phổ biến hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều

Từ trường quay có tốc độ

Có hai nguyên lý chính:

- Điều khiển U/f hằng

-Điều khiển vector động cơ KĐB sử dụng các vi xử lý mới có khả năng tính toán rất

mạnh để điều khiển động cơ KĐB

3 Bộ nguồn xoay chiều

không gián đoạn (bộ lưu điện hay

UPS uninterrupted – power –

Lưới

Tải Chuyển mạch Điều khiển

Hình V.8.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn

Bao gồm bộ nghịch lưu sử dụng accu và bộ chuyển mạch (rơ le hay TRIAC)

Vấn đề then chốt của UPS off-line là thời gian chuyển đổi, tính từ khi nguồn xem như bị mất đến khi xác lập áp nghịch lưu,

Sơ đồ UPS hay nghịch lưu có đầu vào accu điện áp thấp dùng 2 bộ nghịch lưu:

Accu  [NL1  BA tần số cao  CL  Lọc 1 ] NL2  Lọc 2  tải

UPS ON-LINE: UPS không có bộ chuyển mạch và bộ nghịch lưu luôn làm việc