ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG Chuong 5 nghich luu va bien tan

Mạch điều khiển nghịch lưu Nghịch lưu độc lập còn gọi là nghịch lưu ô-tô-nôm – autonomous là bộ biến đổi điện một chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số ngỏ ra do nó quyết định, cung

CHƯƠNG 5 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN

2 Khảo sát nghịch lưu nguồn dòng

3 Khảo sát nghịch lưu nguồn áp

4 Điều khiển áp ra và hạn chế sóng hài

6 Mạch điều khiển nghịch lưu

Nghịch lưu độc lập (còn gọi là nghịch lưu ô-tô-nôm – autonomous) là bộ biến đổi điện một chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số ngỏ ra do nó quyết định, cung cấp cho các tải xoay chiều, phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc là chế độ đặc biệt của chỉnh lưu điều khiển pha, cho phép chuyển năng lượng từ phía một chiều về lưới xoay chiều vốn có điện áp và tần số cố định (chế đđộ nghịch lưu, mục III.4.5)

Khác với các BBĐ đã khảo sát ở các chương trước, có rất nhiều sơ đồ nghịch lưu khác nhau Ngay cả khi cùng sơ đồ động lực, có thể dùng nhiều cách điều khiển để thay đổi chế độ làm việc, đáp ứng các dạng tải công nghiệp Vì thế phần đầu của chương sẽ dành cho phân loại nghịch lưu, trong đó sẽ giới thiệu các họ sơ đồ nghịch lưu trước khi khảo sát bộ nghịch lưu nguồn áp là trọng tâm của chương Các bộ nghịch lưu cộng hưởng, là dạng bộ biến đổi quan trọng cho nghịch lưu tần số cao cũng được giới thiệu

V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU:

1 Nghịch lưu song song và nối tiếp: theo vị trí của C tắt SCR

Là các dạng nghịch lưu sử dụng SCR làm ngắt điện, sử dụng tụ điện ở mạch tải để chuyển mạch Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng hưởng LCR, làm cho dòng qua SCR giảm về zero và SCR tự tắt Hình V.1.1 bao gồm hai mạch nghịch lưu song song: sơ đồ cầu (a), sơ đồ ghép biến áp (b), ( c) tương ứng với nghịch lưu nối tiếp

SCR2

SCR4

SCR1 SCR3

SCR2

+ R

o

C T

_

L1 L2

C +

(a) (b) ( c)

Hình V.1.1: Nghịch lưu nối tiếp (c) và song song (a sơ đồ cầu; b sơ đồ biến áp có điểm giữa)

a Nghịch lưu song song: (hình V.1.1.a và b)

+ -

+ _

Dáng soùng caùc phaăn

töû tređn sô ñoă V.1.1.a ñöôïc

veõ tređn hình V.1.2.a Caùc

SCR 1 vaø SCR 4 coù cuøng

dáng xung kích cuõng nhö

SCR 2 vaø SCR3 Khi SCR 1

vaø SCR 4 daên ñieôn, tú ñieôn

C ñöôïc náp ñeân ñieôn aùp coù

cöïc tính nhö tređn hình veõ

Ñieôn aùp naøy seõ ñaịt ñieôn aùp

ađm vaøo SCR 1 vaø SCR 4,

laøm taĩt chuùng khi ta kích

Do coù töï cạm ôû giöõa boô nghòch löu vaø nguoăn neđn trò soâ vaø dáng aùp ngoû ra thay ñoơi theo ñaịc tính tại Tređn hình V.1.2b, aùp ra khođng coøn dáng xung vuođng vaø coù theơ gaăn gioâng hình sin khi tại coù töï cạm (tại RL)

b Nghòch löu noâi tieâp: (hình V.1.1.c)

Mách ñieôn hình V.1.1.c laø dáng ñôn giạn nhaẫt trong nhoùm mách nghòch löu noâi tieâp, coù mách töông ñöông laø LCR noâi tieâp khi SCR daên ñieôn Khi SCR 1 ñöôïc kích, doøng qua mách seõ veă khođng khi aùp tređn tú ñieôn ñát giaù trò cöïc ñái (coù daâu nhö tređn mách ñieôn) vaø SCR seõ töï taĩt Khi SCR 2 ñöôïc kích, tú ñieôn seõ phoùng qua noù vaø doøng veă khođng khi aùp tređn tú ñieôn ñạo cöïc tính, chuaơn bò cho chu kyø keâ tieâp – dáng soùng hình V.1.2.a

Hai mách nghòch löu naøy ñöôïc duøng laøm boô nguoăn trung hay cao taăn Ngoaøi nhieôm vú taĩt (chuyeơn mách) SCR, caùc tú ñieôn trong hai nghòch löu naøy coøn laø moôt boô phaôn cụa tại, goùp phaăn vaøo vieôc cại thieôn heô soâ cođng suaât cụa mách Vì theâ mách coøn gói laø nghòch löu chuyeơn mách tại

2 Nghòch löu nguoăn doøng vaø nguoăn aùp:

a Nghòch löu nguoăn doøng:

∞

i C

u

Mách töông ñöông (C laø tú chuyeơn mách)

C

L S4

i

Hình V.1.3 Sô ñoă nguyeđn lyù, mách töông ñöôïng vaø dáng doøng ngoû ra boô bieân ñoơi Laø mách nghòch löu coù L baỉng vođ cuøng ôû ngoû vaøo, laøm cho toơng trôû trong cụa nguoăn coù giaù trò lôùn: mách laøm vieôc vôùi nguoăn doøng Nhö vaôy hai mách nghòch löu song song hình V.1.1a vaø b coù dáng cụa nghòch löu nguoăn doøng khi töï cạm nguoăn ñụ lôùn

Hình V.1.3 trình baøy sô ñoă nguyeđn lyù, mách töông ñöông vaø doøng ngoû ra cụa NL nguoăn

doøng moôt pha tại RL Doøng nguoăn i N phaúng, khođng ñoơi ôû moôt giaù trò tại, ñöôïc ñoùng ngaĩt thaønh doøng xoay chieău cung caâp cho tại:

S1, S4 đóng: i O = i N > 0 ; S2, S3 đóng: i O = - i N < 0

Vậy tải nhận được dòng điện AC là những xung vuông có biên độ i N phụ thuộc tải Công

suất tải tiêu thụ cũng chính là công suất cung cấp bởi nguồn khi BBĐ chỉ gồm các ngắt điện điện tử không tiêu thụ năng lượng:

P o = U.i N

b Nghịch lưu nguồn áp:

Ngược với sơ đồ nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp có tụ điện giá trị lớn (lý tưởng là bằng vô cùng) nối song song với ngỏ vào bộ nghịch lưu, làm cho tổng trở trong của nguồn bằng không, nhờ đó mà nguồn có khả năng cung cấp và nhận dòng không giới hạn Cũng với yêu cầu này, các ngắt điện của nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược Diod này cho phép dòng qua tải có thể chạy hai chiều khi ngắt điện làm việc (ở nghịch lưu nguồn dòng, dòng chỉ chạy một chiều từ nguồn qua tải) Nhờ vậy biên độ áp ra bị giới hạn ở áp nguồn khi các ngắt điện hay diod dẫn điện Vì thế ta gọi đây là nghịch lưu nguồn áp

Hình V.1.4 trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch tương đương và một dạng áp ra của NL nguồn áp một pha Có thể nhận xét là BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải sẽ là

NL nguồn áp một pha khi được điều khiển sao cho trị trung bình áp ra bằng 0 Áp nguồn một chiều được đóng ngắt thành những xung áp hình vuông để cung cấp cho tải

o

S3

L

u o

S4

o i

Hình V.1.4 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng và dạng áp ngỏ ra bộ biến đổi có hạn chế sóng hài bậc cao.

So sánh Nghịch lưu nguồn dòng Nghịch lưu nguồn áp

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

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

V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG:

1 Sơ đồ một pha :

- Khảo sát trường hợp đơn giản: tải R, tự cảm nguồn rất lớn

Mạch điện hình V.1.1(a) và (b) cho ta dạng cơ bản của NL nguồn dòng một pha là việc ở tần số cao Tụ C tạo ra khả năng chuyển mạch của bộ nghịch lưu SCR 1 và 4 khi được kích cung cấp xung dòng dương cho tải , nạp tụ C theo cực tính như hình vẽ chuẩn bị tắt chúng theo nguyên tắt chuyển mạch cứng Kích SCR 2 và 3 sẽ làm SCR 1 và 4 tắt và cung cấp xung dòng âm cho tải

Khảo sát chu kỳ tựa xác lập mạch điện hình V.1.1.a:

L N có trị số rất lớn ⇒ dòng nguồn phẳng, bằng I

Kích SCR 1 và 4, có các phương trình:

00

với là giá trị đầu

<V.2.1>

2

2sau 1/2 chu kỳ, (vì tính đối xứng)

T RC C

U

L

R SCR1

SCR2 _

Hình V.1.1a: Nghịch lưu nguồn dòng tải R

Đồ thị điện áp trên các phần tử và áp ra tải ở hệ đơn vị tương đối u O (θ)/V với các giá trị k

khác nhau được trình bày trên hình V.2.1 (a) và (b) Nhận xét là các quan hệ có dạng hàm mũ,

thời gian u O < 0 chính là thời gian đảm bảo tắt tq cho các SCR

Hình V.2.1: (a) là dạng áp, dòng qua các phần tử và (b) u O (θ)/U với các giá trị k khác nhau

D4

D1 R C1

Hình V.2.2.(a) mạch động lực và (b) dạng áp ra có và không có diod chặn

Bài tập V.2.1: tính giá trị của tq, tính giá trị I của dòng chảy qua nguồn

- Khảo sát trường hợp thực tế: tải là RL, và điện kháng nguồn không vô cùng lớn Khi đó

các dạng dòng, áp có tính dao động, áp trên tụ C sau khi qua giá trị cực đại sẽ giảm xuống, kéo

theo giảm tq, nhất là khi tần số làm việc thấp Khi đó, người ta dùng các diod chặn (D1 – D4),

cho phép giữ áp trên tụ ở giá trị cực đại - hình V.2.2 (a) và (b)

- Khảo sát gần đúng nghịch lưu nguồn dòng: Trong thực tế, tải thường là RL Khi tính toán

gần đúng, ta có các giả thiết sau dù điện kháng nguồn không lớn vô cùng:

* Dòng tải iO là xung hình vuông, có biên độ

bằng dòng nguồn I

* Tụ C và tải RL làm thành mắc lọc cộng hưởng,

làm cho áp trên tải u C có dạng hình sin và như vậy chỉ

có sóng hài bậc 1 của dòng tải là i1 tạo ra công suất

Mạch tương đương gần đúng được vẽ trên hình

V.2.3.a khi chỉ xét thành phần cơ bản (bậc 1) Hình

V.2.3.b cho ta các vector: U C là áp ra, I 1là hài cơ bản

i L

Hình V.2.3.a

của dòng ra i O ; I C , I L lần lượt là dòng qua C và tải RL, ta có:

U C là áp ra, lệch dòng ra I L góc φ của tải RL I 1 sớm pha U C góc β để có áp âm cần thiết tắt được các SCR (phần gạch đứng tronghình V.2.3.c)

φ

C

β

U I

Ta có - góc lệch pha β = ω.tq <V.2.5>

- Hiệu dụng hài bậc nhất dòng tải i O là 1 2 2

π

=

I a I với a = 1 ở sơ đồ 1 pha và

a = 3

2 ở sơ đồ 3 pha ( dùng công thức ở phần V.3.1, hình V.3.1)

Từ đồ thị vec tơ, ta có:

B Để tính các dòng, áp ta

tính công suất P bằng hai cách từ nguồn một chiều (cung cấp) và tải (tiêu thụ) khi xem hiệu suất

hệ thống bằng 1:

1

cos.2 2

Từ áp ngỏ ra U C có thể suy ra công suất P của mạch và dòng nguồn I

Bài tập V.2.2 : Tính mạch nghịch lưu nguồn dòng sơ đồ một pha Áp nguồn một chiều 500 V,

tần số làm việc 1 KHz, R = 15 ohm và L = 0.001 H

- Tính giá trị điện dung C để đảm bảo thời gian tắt SCR là 30 μsec

- Tính giá trị hiệu dụng áp ra U C , suy ra công suất trên tải P và dòng nguồn I

2 Sơ đồ ba pha : (hình V.2.4.b)

Để tạo ra hệ thống ba pha, các ngắt điện phải

được đóng ngắt theo một thứ tự không thay đổi đối với

các hệ thống ba pha, gọi là LOGIC BA PHA Nghịch

lưu nguồn dòng sử dụng logic ba pha có hai ngắt điện

làm việc cùng lúc Đây cũng chính là thứ tự điều khiển

các SCR trong chỉnh lưu cầu ba pha Nhận xét là ở đây

chỉ có hai ngắt điện làm việc cùng lúc vì dòng nguồn

Logic ba pha:

( hai ngắt điện làm việc cùng lúc )

nhóm + S1 −> S2 −> S3 −> S1 nhóm − S6 −> S4 −> S5 −> S6 chung S1 −> S6 −> S2 −> S4 −> S3 −> S5không đổi (nguồn dòng) chỉ có thể chạy qua một SCR của nhóm + một SCR của nhóm – Ví dụ

khi S1, S6 đang dẫn, S2 được kích sẽ làm tắt S1 (Hình V.2.4.a)

S5

L =

i i

i

S6

N i

A

S1

C B

Hình V.2.4 cho ta các dạng sóng và mạch nguyên lý của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha Dòng nguồn, xem như không đổi ở một trạng thái của tải, đưọc phân bố cho các SCR như hình

(a): mỗi lúc chỉ có hai SCR làm việc, xung dòng trên mỗi pha có dạng chữ nhật, áp ra thay đổi

theo đặc tính tải Cũng giống như nghịch lưu một pha, dòng qua tải i A sớm pha hơn điện áp u A

(hình V.2.4.a) Đây chính là điều kiện để có sự chuyển mạch: khi xem tụ chuyển mạch là thành phần của tải, tải sẽ có tính dung và đặt được áp âm vào SCR đang dẫn khi SCR mới được kích

Việc tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn dòng 3 pha thực hiện giống như sơ đồ một pha nhưng với quan hệ giữa biên độ và thành phần cơ bản (hệ số a) của dòng điện thay đổi

Một nhận xét khác là năng lượng chỉ chảy một chiều từ nguồn qua tải, làm áp ra thay đổi theo tải, tăng cao khi không tải vì năng lượng tích trữ ở tải tăng cao

Cũng giống như nghịch lưu 1 pha, áp ra thay đổi theo tải và ta có thể điều khiển bằng cách thay đổi áp nguồn hay mắc song song với tải một mạch điều chỉnh công suất phản kháng

Hình V.2.5.a cho ta một ví dụ về nghịch lưu nguồn dòng cụ thể Có thể thấy đây là sự phát triển của sơ đồ V.2.2.a thành ba pha, SCR đang dẫn sẽ tắt khi một SCR nối chung anod (catod) được kích theo logic mỗi lúc có hai ngắt điện làm việc Quá trình tắt T1 khi T3 được kích được vẽ trên hình (b), các tụ điện sẽ đặt áp âm vào T1 và nạp đến cực tính ngược lại, chuẩn bị tắt T3 ở xung dòng kế tiếp Các diod được thêm vào để tránh tình trạng tụ điện C bị xả qua tải ở tần số làm việc thấp Hình (c) cho ta các dạng sóng trên các phần tử của mạch trong một chu kỳ

Hình V.2.5: Sơ đồ, dạng áp, dòng của một NL nguồn dòng 3 pha

V.3 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP:

1 Sơ đồ một pha :

Có thể xem BBĐ áp một

chiều làm việc 4 phần tư điều khiển

chung ở chương 4 với áp ra có trị

trung bình bằng không là một trong

những bộ nghịch lưu nguồn áp một

pha, được gọi là sơ đồ cầu khi dùng 4

ngắt điện (hình V.1.2.c) hay ½ cầu

dùng hai nguồn (hình V.1.8)

Hình V.3.1 cho ta hai dạng

mạch khác của nghịch lưu nguồn áp

Hình V.3.1: NL nguồn áp, sơ đồ một pha

1 pha, là sơ đồ nửa cầu (a)- khi một nhánh cầu thay bằng phân áp tụ điện và sơ đồ đẩy kéo (b) Hai sơ đồ này chỉ có thể dùng cho các bộ nghịch lưu vì cầu phân áp dùng tụ và biến áp chỉ làm việc với tín hiệu xoay chiều

Có thể nhận xét dễ dàng là trình tự đóng ngắt các ngắt điện cuả các sơ đồ này sẽ giống như ở BBĐ chiều làm việc 4 phần tư nhưng luật điều khiển sẽ thay đổi, cơ bản nhất là để đãm bảo trung bình áp ra bằng không

Các ngắt điện như vậy phải có khả năng đóng ngắt theo yêu cầu điều khiển, không phụ thuộc tải Hiện nay ở dòng tải khoảng vài trăm Ampe, người ta thường dùng linh kiện họ transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) và có thể dùng SCR + mạch tắt hay GTO ở công suất cao hơn

Có thể tính toán dạng dòng, áp ởû tải RL một cách chính xác bằng cách khảo sát hoạt động của mạch trong chu kỳ tựa xác lập như ví dụ sau

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 θ, độ rộng xung áp

⋅

q , q tính bằng giây

Xét chu kỳ tực xác lập, khi dòng điện lập lại theo chu kỳ T

Gọi giá trị dòng qua tải khi t = 0 là I 1 Ta có phương trình vi phân khi S1, S4 đóng:

q T

I

τ τ

Kiểm tra lại: khi q = T/2 thì 2

2 Sơ đồ ba pha :

Nghịch lưu nguồn áp nhiều pha có thể bao

gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha làm việc

lệch pha một góc qui định của hệ nhiều pha

tương ứng, ví dụ 2π/3 ở hệ 3 pha Thường

gặp nhất là nghịch lưu nhiều pha được tạo

thành từ những nửa cầu như hình

Logic ba pha:

( ba ngắt điện làm việc cùng lúc)

pha A S1 −> S4 −> S1 pha B S2 −> S5 −>

pha C S6 −> S3 −> S6 S1 −>S6 −>S2 −>S4 −>S3 −>S5 −>S1

V.3.2.b là sơ đồ ba pha, gồm 3 nhánh làm việc lệch nhau 2π/3 từng đôi một Với nguồn là nguồn áp và có diod phóng điện song song với mỗi ngắt điện, năng lượng truyền được hai chiều giữa nguồn và tải làm cho áp ra có dạng các xung vuông có biên độ là biên độ áp nguồn Khác với nghịch lưu nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp ba pha có thể sử dụng logic ba pha có hai hay ba ngắt điện làm việc cùng lúc

Hình V.3.2.a gồm dạng xung điều khiển các ngắt ngắt điện, dạng áp, dòng ra tải RL của một sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp Nhận xét là mỗi lúc có 3 ngắt điện làm việc Dạng dòng

và áp pha vẽ trên hình 5.11.a là của mạch tải RL nối Y

D5 S4

L S1

D2 S2

R

A

S6 D4

(b) Hình V.3.2: NL nguồn áp ba pha, các dạng sóng (a) và mạch động lực (b).

Dạng sóng ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha có dạng xung điều khiển hình V.3.2a được

gọi là dạng sóng 6 nấc, được xem là căn bản cho việc khảo sát đặc tính NL nguồn áp ba pha

Khác với nghịch lưu nguồn dòng chỉ có một sơ đồ điều khiển như đã trình bày, nghịch lưu nguồn áp có thể được điều khiển bằng nhiều thuật toán khác nhau

Để tính toán áp ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp, người ta thường giả sử như nguồn có điểm

giữa n(hình V.3.2), áp các pha đối với trung tính nguồn u An , u Bn , u Cn và các áp dây u AB , u BC ,

u CA có các quan hệ:

Khi điều khiển S =1 S4 (S1 và S4 làm việc ngược pha), ta có thể chứng minh là các áp

pha u An , u Bn , u Cn và các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện Hệ thống như vậy còn gọi là điều khiển hoàn toàn (toàn phần) Hệ thống được gọi là điều khiển không

hoàn toàn nếu có khoảng thời gian cả hai ngắt điện của nửa cầu đều không làm việc Khi đó, áp

ra sẽ phụ thuộc vào dòng phóng điện qua diod, và như vậy áp ra sẽ phụ thuộc tải

Hình V.3.2.a cho thấy áp dây u AB của dạng sóng 6 nấc là xung vuông Để tính các áp

pha tải u AN , ta giả sử tải nối hình sao, đối xứng và có trung tính là N, tổng dòng điện tải:

31

31

Tính trực tiếp thành phần cơ bản (hữu dụng) áp pha tải u 1A từ áp pha so với trung tính

nguồn u 1An : Đặt u Nn là áp giữa trung tính N của tải và trung tính nguồn n (còn được gọi là

thành phần thứ tự 0), ta có:

cũng bằng hài bậc 1 của áp pha A tải U : 1A U1An=U <V.3.3> 1A

Chứng minh này cũng cho thấy kết quả trên không phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động của sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha, và đây cũng chính là cách tính thành phần cơ bản của áp pha tải từ luật điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha

CHÚ Ý: Có thể tính trực tiếp áp pha tải hình Y khi xét các trạng thái đóng ngắt mạch tải vào nguồn của của bộ nghịch lưu như bài tập V.3.3 (hình V.3.2d)

Bài tập V.3.1: Giả sử bộ nghịch

lưu nguồn áp hình V.3.2 nối tải RL hình

sao, hãy vẽ dạng áp ra (hình V.3.2.a) và

tính trị số hiệu dụng áp dây, áp pha

Từ trạng thái của các ngắt điện,

ta có các trường hợp nối tải vào nguồn

như hình V.3.2.d Từ đó suy ra áp pha tải

như hình V.3.2.a: Hình V.3.2.d: Các trường hợp nối tải vào nguồn U tương ứng với các trạng thái của ngắt điện.

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

Trường hợp 2: S1, S5, S6 đóng: u A = 2 V/3

Trường hợp 3: S1, S2, S6 hay S1, S5, S3 đóng: u A = V/3

Trường hợp 4: S4, S2, S3 đóng: u A = -2 V/3

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

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: U A =U 2 / 3(ứng với biên độ bằng 2 / 3 U và 2 / 3U ) Có thể sử dụng công thức ở phần điều

khiển áp và tính hiệu dụng áp pha bằng hiệu

dụng áp dây chia cho 3

3 Nghịch lưu đa bậc (nhiều nấc):

Mục đích làm cho dạng áp ra gần với

hình sin hơn (hình V.3.3)

Có nhiều cách thực hiện NL đa bậc:

- Sử dụng nguồn có nhiều cấp điện áp

và nhiều ngắt điện nối tiếp

- Nối tiếp nhiều bộ NL một pha có

nguồn riêng (cell nghịch lưu một pha)

2

Hình V.3.3: Dạng sóng áp ra NL 5 nấc điện áp.

- Nối tiếp nhiều bộ NL một pha làm việc lệch pha bằng biến áp ngỏ ra (hình V.3.6)

Hình V.3.6: Nguyên lý cộng hai dạng áp nghịch lưu

dùng biến áp để tạo ra dạng sóng nấc thang Hình V.3.7.b: Dạng sóng 12 nấc thang

Nghịch lưu đa bậc ghép biến áp ngõ ra: (hình V.3.6)

Bao gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha hoạt động

- Mỗi cấp có bề rộng như nhau

- Sử dụng biến áp để cộng các xung vuông thành áp nấc thang

- Số bậc bằng 2 lần số bộ nghịch lưu một pha

- Đơn giản nhất nhưng kích thước lớn, hiệu suất không cao

Bảng tổng hợp áp 3 pha từ 6 thành phần 1 pha lệch 30 O :

Hình V.3.7.a: Tổng hợp dạng sóng 12 nấc từ 6 nguồn

nghịch lưu một pha

0

2

A B C

1 3

U1 U4

U1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 U2 U3 U4 U5 U6

Hình V.3.7 giải thích nguyên lý tổng hợp dạng sóng 12 nấc thang ba pha từ 6 bộ NL một pha làm việc lệch 30O, dấu – cho biết phải đảo cực tính cuộn dây Mỗi pha tải được cung cấp bằng mạch nối tiếp 5 cuộn thứ cấp của biến áp ngỏ ra các bộ NL một pha với biên độ có tỉ lệ

theo bảng trên hình V.3.7.a

4 Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp:

Có thể tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp bằng cáchø

xem các sóng hài bậc cao là không đáng kể khi khảo sát mạch

bằng nguyên lý xếp chồng Khi đó, ta chỉ tính toán với thành

phần cơ bản (sóng hài bậc 1) với mạch tương đương vẽ trên hình

V.3.8 u 1 , i 1 là thành phần cơ bản của áp, dòng tải, TẢI chính là

mạch tương đương của phụ tải, được tính ở tần số làm việc w u 1

có được bằng cách phân tích Fourier dạng áp ra (mục V.4)

Bài tập V.3.4:

a Cho bộ nghịch lưu nguồn áp có áp ngỏ ra dạng 6 nấc, áp cấp điện một chiều U = 300VDC, tải nối hình Y, 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

b Tính hệ số méo dạng THD% của dòng điện khi xét đến hài bậc 7

Giải:

a Theo kết quả của bài tập V.4.2, hiệu dụng thành phần cơ bản

của áp pha:

1

20.45 0.45*300 135

Điện kháng X L ở 50 Hz là X L = wL = 100π*L = 31.4 ohm

Mạch tương đương

R

jwL

i 1

1 u

Vậy có thể thấy là sóng hài bậc cao của dịng tải không đáng kể trong trường hợp này

V.4 ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI:

Như chúng ta đã khảo sát, các bộ nghịch lưu làm việc trong chế độ đóng ngắt nên dòng, áp ra không hình sin Đặc trưng của các dòng áp trên tải có thể trình bày theo hai cách: giá trị hiệu dụng (nếu tải không được xác định cụ thể) hay thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) nếu tải thuộc loại làm việc với nguồn hình sin (như động cơ xoay chiều) Giá trị hiệu dụng của dạng sóng thường được tích phân trực tiếp còn các sóng hài có thể được tính bằng nguyên lý xếp chồng các thành phần Fourier áp hay dòng ngỏ ra

1 Công thức căn bản để phân tích

Fourier điện áp ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp:

Dạng sóng nghịch lưu điều rộng xung

v O trên hình V.4.1 cho phép ta phân tích sóng

hài hầu hết các dạng áp ra của mạch nghịch

lưu nguồn áp thường gặp mà không phải tích

Trên đồ thị thời gian, trục tung được dời đến vị trí trục đối xứng để khai triển Fourier của v O

không có thành phần sin, Ngoài ra, vì u O có π/2 là tâm đối xứng nên nó cũng không có tần số bội chẵn (n ≠2k):

n n

- Áp dây có biên độ U, bề rộng xung a = 2π/3:

Biên độ thành phần cơ bản áp dây 1 4 sin 2 3

- Áp pha (dạng sóng 6 nấc)

1 2

A

u =u u + , u 1 có biên độ V/3, bề rộng

xung a = π/3; u 2 có biên độ U/3, bề rộng

xung a = π , vậy biên độ thành phần cơ bản

= , U = khi n là bội số của k n 0

Vì thế trong các bộ nghịch lưu ba pha, tải không bao giờ có hài bội 3 vì các pha được điều khiển lệch nhau 2π / 3 và ta có thể bỏ qua hài bội 3 khi tính toán thiết kế dạng áp điều khiển nghịch lưu 3 pha

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

- các thành phần Fourier của áp dây vẫn bằng 3 các 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

Giải:

Áp dây AB: Biểu thức tổâng quát cho giá trị hiệu dụng sóng hài bậc n áp dây

sin3

bằng 0 khi n là bội 3 Thành phần cơ bản ứng với n =1: 1AB 6

R

U U

π

= = 0.45U

- Tỉ số áp dây/áp pha bằng: 3 1

2 cos6

ABnR AnR

U

n

U = π , với các giá trị khả dĩ của n: 1,5,7,11,13

ta có tỉ số trên bằng 3

- Tỉ số hài bậc cao/cơ bản:

2 Bài toán điều khiển áp ra:

Với tính cách là bộ biến đổi năng lượng, áp ra luôn

là một thông số điều khiển Điều khiển áp ra của bộ

nghịch lưu nhằm mục đích:

- Giữ ổn định điện áp ngỏ ra, tránh các sụt áp do

tải, nguồn và cả do các phần tử trong mạch

- thay đổi theo yêu cầu của tải Tải động cơ cần

được cung cấp điện áp tỉ lệ với tần số để động cơ không

bị bảo hòa từ

f

U/Uđm

(a) (b)

Hình V.4.2: Đặc tính U / f = hằng số

theo lý thuyết (a) và thực tế (b)

Ta có các phương pháp sau:

a Thay đổi áp nguồn cung cấp:

Làm biên độ áp ra thay đổi, thường sử dụng khi nghịch lưu là nguồn dòng hay áp ra có dạng cố định Khi đó, bộ NL thường được cung cấp điện DC từ bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển pha hay qua BBĐ áp DC

b Điều chế độ rộng xung:

Trong các bộ biến tần nguồn áp hiện đại, người ta sử dụng điều chế độ rộng xung để điều khiển điện áp ngỏ ra So với thay đổi biên độ, sơ đồ điều khiển phức tạp hơn vì kết hợp cả điều khiển áp và tần số vào cùng một chỗ nhưng mạch động lực cũng vì thế mà đơn giản, kinh tế hơn

Công thức <V.4.1> cho thấy các thành phần Fourier của áp ngỏ ra khi điều chế một xung Với tải thường gặp trong công nghiệp là động cơ, các sóng hài bậc cao thường không có ảnh hưởng lớn ở tần số lân cận định mức nên điều chế một xung cho kết quả khá tốt Khi giảm tần số cung cấp, dòng điện động cơ tăng cao khi điều khiển một xung Điều này có thể giải thích bằng hiện tượng bão hòa từ đã làm tự cảm cuộn dây giảm nhỏ, và ta phải tăng tần số điều chế độ rộng xung tương ứng với điều chế nhiều xung

Trong hình V.4.4, việc chia một bề rộng thành nhiều xung trong một bán kỳ có thể làm cho dòng đươc giữ ở giá trị bé so với trường hợp một xung

U U

2π π

wt o

S4 = -S3

o i

S1 = -S2

u

−

Hình V.4.4: Sơ đồ điều rộng nhiều xung (NL một pha) khi

điều khiển hoàn toàn (sơ đồ cầu)

Hình V.4.5: Dạng áp, dòng NL nguồn áp một pha khi điều khiển không hoàn toàn (mạch động lực hình V.3.1: sơ đồ ½ cầu hay biến áp có điển giữa)

Các sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp chia làm hai nhóm: điều khiển hoàn toàn khi ở một nửa cầu luôn có 1 ngắt điện làm việc hay điều khiển không hoàn toàn khi có lúc không có ngắt điện làm việc Khi điều khiển hoàn toàn, áp ra được xác định từ luật điều khiển Ngược lại, khi điều khiển không hoàn toàn, áp ngỏ ra xác định theo dòng phóng điện (hình V.4.4 và V.4.5) khi không có ngắt điện trên nhánh nữa cầu làm việc Các hệ thống điều khiển có chất lượng cao (ví dụ nghịch lưu điều rộng xung hình sin) sử dụng điều khiển hoàn toàn trong khi các bộ biến đổi chỉ sử dụng bộ nghịch lưu làm trung gian (bộ nguồn xung) thường dùng sơ đồ không hoàn toàn

Bài tập V.4.3: Khảo sát áp ra của bộ nghịch lưu có bề rộng xung q không đổi (tính bằng giây) khi tần số f thay đổi (giả sử điều khiển

hoàn toàn).

Gọi q là bề rộng xung tính bằng giây,

là không đổi trong bài tập này Tần số f của

bộ nghịch lưu thay đổi, lớn nhất ứng với trị

số chu kỳ tối thiểu 1/f MAX bằng 2.q Bề rộng

xung tính bằng độ bằng: θ=w⋅q=2πf ⋅q

= = , trong đó f’ thay đổi trong khoảng 0 1

U’ có dạng hình sin với khoảng tần số thay đổi hợp lý, khá xa tần số cực đại f MAX , áp ra có thể xem là tuyến tính theo tần số Nguyên lý này cho phép xây dựng sơ đồ điều khiển rất đơn giản để thực hiện nguyên lý U/ f = hằng số

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 θ, ta có dạng xung điều rộng, bề rộng xung là θ và sóng hài bậc n là:

sin2

= , n chỉ có các giá trị

lẻ và θ thay đổi trong khoảng từ 0 π

Khảo sát hàm số

'

4

1

sin2

= = theo θ 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

3 Bài toán hạn chế sóng hài ngỏ

ra:

a Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao:

Hình BTV.4

Các sóng hài bậc cao có các tác dụng:

- Gây phát nóng phụ: do sóng hài bậc cao dòng điện làm tăng tổn hao trong dây dẫn và lõi sắt

- Gây momen phụ: do các thành phần 3 pha bậc cao tạo ra trong động cơ xoay chiều

b Các phương pháp:

Có nhiều phương pháp để hạn chế sóng hài bậc cao, chia làm hai nhóm:

- Sử dụng bộ nghịch lưu nhiều bậc (dạng sóng nấc thang): Ta đã biết dạng sóng nấc thang vốn có sóng hài bậc cao rất bé, sóng hài tần số bé hơn (n±1) lần tần sô cơ bản là không đáng kể, n: số nấc thang. Nghịch lưu nhiều bậc ghép biến áp ngỏ ra đã được sử dụng từ rất lâu và hiện nay các sơ đồ nghịch lưu nhiều bậc không dùng biến áp có nhiều hứa hẹn khi giá thành bán dẫn công suất giảm và yêu cầu chất lượng BBĐ càng tăng

Để thay đổi áp ngỏ ra, ta có thể thay đổi độ rộng xung các bộ biến đổi thành phần

Bài tập V.4.5: Dùng MatLAB hay MathCAD phân tích sóng hài của dạng sóng 12 nấc thang hình V.3.7.b, dùng số liệu của bảng hình V.3.7.a

- Điều chế độ rộng xung (PWM): Là dạng điều chế nhiều xung, nếu các độ rộng xung

thay đổi theo quy luật thích hợp, sóng hài ngỏ ra sẽ được hạn chế đáng kể Ưu điểm lớn nhất của các phương pháp này là mạch động lực đơn giản, gọn nhẹ nhưng bất lợi là yêu cầu khả năng đóng ngắt ở tần số cao, mạch điều khiển phức tạp Một nhược điểm khác là sóng hài ở tần số của sóng mang có biên độ rất lớn so với dạng sóng nấc thang Tuy nhiên, dòng điện của những sóng hài này không lớn vì tải công nghiệp thường có tự cảm, tác dụng của chúng có thể làø: gây tiếng ồn, nhiễu tần số cao, phát nóng trong lõi thép

Có nhiều phương pháp: điều chế độ

rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải

tiến, triệt tiêu các hài chọn trước, dùng bộ so

sánh có trễ (điều rộng thích nghi), điều rộng

đk u

Hình V.4.6.a: Nguyên lý của điều rộng xung hình sin

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

a Nguyên lý: Để hạn chế sóng hài bậc

cao, ta điều chế độ rộng xung với áp chuẫn

(điều khiển) có dạng sin Trong hình V.4.6a,

áp chuẩn hình sin u REF có tần số ngỏ ra f O

được so sánh với sóng mang tam giác uC có

tần số f C để tạo ra luật đóng ngắt các nhánh

cầu nghịch lưu Trong 1 chu kỳ điều rộng

với uav là trung bình trong chu kỳ T

của 1 xung áp ngỏ ra hai cực tính có biên độ

u

T

Hình V.4.6.b: Sự tương đương của xung điều rộng và xung nấc thang

U , u[n] là giá trị của u REF tại chỗ giao với sóng mang uc , U CMAX là biên độ cực đại của sóng

mang uc <V.4.2> cho phép thay thế các xung điều rộng bằng giá trị trung bình uav trong chu

kỳ điều chế T tương ứng và như vậy dạng sóng điều rộng đã được đưa về dạng nấc thang

Khi fc đủ lớn, dạng nấc thang “tương đương” này tiến đến hình sin Một cách gần đúng,

<V.4.2> cho phép ta tính toán biên độ u1 tại mỗi thời điểm của thành phần cơ bản áp ra nghịch

lưu theo biên độ áp chuẫn (điều khiển) u REF và biên độ xung áp ngỏ ra U:

Tương tự, có thể tính U1 là biên độ thành phần cơ bản theo U REFMAX là biên độ

của áp chuẫn U CMAX là biên độ của dóng mang răng cưa

Ví dụ: Tính thành phần cơ bản

của áp ra bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ

cầu, các thông số: áp nguồn động lực

một chiều U = 200V, biên độ sóng

mang uc là Ucmax = 10V, biên độ áp

chuẫn (điều khiển) U REFMAX = 5V

Tính giá trị của thành phần cơ bản của

áp ra khi u REF = 2V

Giải:

Vì là sơ đồ cầu, biên độ áp

nghịch lưu là U = 200V Biên độ thành

phần cơ bản của áp ra nghịch lưu là

200*5/10 = 100V Khi u REF = 2 volt,

biên độ thành phần cơ bản của áp ra

là 200*2/10 = 40V Theo <V.3.3>,

đây cũng là các điện áp của thành

phần cơ bản áp pha tải nối Y Hình V.4.6c: Các dạng sóng điều rộng xung hình sin

Hình V.4.6c cho ta 1 ví dụ của dạng sóng điều chế xung sin Từ phổ của nó (hình V.4.6d),

có thể nhận xét là các sóng hài có tần số không lân cận với bội số sóng mang n.f C rất bé, đúng

với ý nghiã của phép điều chế

Hình V.4.6.e: Phổ của dạng sóng SPWM hình d Thành phần có n = 41, 43, 83, 85 là có biên độ cao nhất

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): là tỉ số giữa

biên độ U P của áp chuẫn u REF và biên độ sóng mang răng cưa U CMAX :

P a

CMAX

U m

U

* 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 tỉ số giữa tần số sóng mang f C và tần số ngỏ ra f O , là thông số của sơ đồ điều khiển: C

f O

f m f

= ,

* Chỉ số điều chế điện áp mO (gọi tắt là chỉ số điện áp): là tỉ số giữa áp hài bậc 1 của hai

dạng sóng: áp có điều chế U 1 và không có điều chế U1V (ví dụ xung vuông ở sơ đồ 1 pha hay dạng sóng 6 nấc của sơ đồ 3 pha) Chỉ số này có cùng giá trị khi tính với giá trị hiệu dụng hay biên độ của các điện áp: 1

1

U m U

= ;

Chỉ số điện áp m O là đặc trưng quan trọng nhất cho một sơ đồ điều chế độ rộng xung nên

trong một số tài liệu được gọi là chỉ số điều chế.

m O (và U ) là một hàm số của chỉ số điều chế biên độ m1 a , nó có cùng gía trị cho các điện áp trong cùng một sơ đồ động lực (ví dụ nghịch lưu 3 pha) vì các điện áp này quan hệ tuyến

tính với nhau m O giúp ta đánh giá hiệu quả của một phương án SPWM

Trong sơ đồ NL ba pha, chỉ số điện áp m O tính bằng tỉ số biên độ U 1 hay giá trị hiệu dụng

U 1R của thành phần cơ bản áp pha tải u A theo biên độ thành phần cơ bản U1sixstep của áp pha khi điều khiển 6 nấc thang (là trường hợp không điều khiển tương ứng) Với U1sixsteplấy ở bài tập

V.4.1:

1

2 2

1sixstep

R O

với U là áp nguồn một chiều và U 1R là hiệu dụng thành

phần cơ bản áp pha tải

* Sóng hài dòng (áp) có thể đánh giá qua THD% của

dòng (áp) ngỏ ra:

Hệ số biến dạng (toàn phần) % dòng điện ngỏ ra:

n jnwL n

trong đó: I R , : giá trị hiệu dụng, I 1R :hiệu dụng thành phần cơ bản, I 1:biên độ thành phần cơ bản

và I n : biên độ thành phần bậc n của dòng ra

Từ mạch tương đương hình V.4.7, có thể tính được I nR là hiệu dụng dòng điện bậc n của

với 1/n, dòng bậc cao giảm rất nhanh vì tỉ lệ 1/ n 2

c Chỉ số điều chế điện áp m O của sơ đồ điều chế độ rộng xung hình sin SPWM ba pha:

Để tính chỉ số điều chế m O của sơ đồ nghịch lưu SPWM 3 pha, ta khai triển Fourier của

áp pha so với trung tính nguồn u An với chỉ số điều chế biên độ m a ≤ 1 là thông số:

u An =0.5m U a sin(wt+ +φ) H Mw( C±Nw)<V.4.4>

Trong đó M và N là 2 số nguyên có tổng là lẻ, w C

là tần số góc của sóng mang và H là một hàm đại diện

cho các thành phần sóng hài bậc cao có tần số góc

C

Mw ±Nw Nếu chỉ xét thành phần cơ bản:

u An1=0.5m U a sinwt<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

U

π

= (do u An có biên độ là V/2) Suy ra:

Hình V.4.8a: Chỉ số áp ngỏ ra m o theo chỉ

số điều chế biên độ m a của điều rộng xung

hình sin SPWM, sơ đồ nghịch lưu 3 pha.0.5

= = = <V.4.5> (khoảng tuyến tính trên hình V.4.8.a)

Vì thành phần cơ bản của áp pha tải u A1 có cùng trị số với áp pha đối với trung tính nguồn

u An : u A = u An <V.3.3> ta có:

Biên độ thành phần cơ bản của áp pha tải U1 =0.5m U a và chỉ số điện áp m Ocủa nghịch lưu ba pha SPWM tính theo <V.4.3> cũng có cùng giá trị với <V.4.5>:

1 1

Hình V.4.8b: Dạng sóng chuần u REF khi nới rộng

vùng tuyến tính của PWM (modified SPWM)

Hình V.4.8c: chỉ số điện áp m O của điều chế độ rộng xung hình sin cải tiến

Bằng cách thay đổi hình dạng của áp chuẩn uREF , chất lượng của SPWM có thể được cải thiện, chủ yếu là các đặc tính:

- Giảm số lần đóng ngắt trong khi giữ được đặc tính sóng hài bậc cao thấp

- Quan trọng hơn, là nới rộng phạm vi thay đổi áp ra trong khi vẫn giữ được quan hệ tuyến

tính của chỉ số điện áp ra m O

- Làm đơn giản sơ đồ điều khiển

Ví dụ như khi bổ sung vào áp chuẫn u REF thành phần thứ tự không (sóng hài bậc 3), ta có thể nới rộng vùng tuyến tính của chỉ số điều chế đến 0.907 (hình V.4.8c) Có nhiều cách thực hiện:

- dạng áp chuẩn hình (a): là đơn giản nhất, khi nhận xét là do hài bội 3 không tồn tại

trong hệ 3 pha, ta có thể nâng cao thành phần cơ bản trong u REF và trừ bớt đi một lượng hài bậc

3 sao cho biên độ áp chuẩn vẫn bằng biên độ sóng mang tam giác:

Giải: Xác định m O theo m a bằng đồ thị hình V.4.8a (hay theo <V.4.5> khi m a ≤ 1) khi điều chế bình thường hay đồ thị hình V.4.8c khi điều chế cải tiến (bổ sung sóng hài bậc3) Sau đó dùng

<V.4.3> để tính ra áp pha ngỏ ra và suy ra các dòng áp cần thiết Nếu làm việc trong vùng tuyến tính (m a ≤ 1), có thể tính trực tiếp áp ngỏ ra pha A theo <V.4.4> khi chỉ xét thành phần cơ bản:

u = m U wt <V.4.4a> => U 1 = 0.5 m a U

Lưu ý: Công thức <V.4.2> và <V.4.2a> là dạng tổng quát cho nghịch lưu, với U là biên độ xung áp nghịch lưu trong khi ở <V.4.4> hay <V.4.4a> tính cụ thể cho nghịch lưu 3 pha, áp nguồn một chiều có biên độ U.

Ví dụ bằng số: Tính biên độ áp pha bộ nghịch lưu 3 pha dùng điều rộng xung sin, áp nguồn một chiều 200V, sóng mang tam giác uc có biên độ ±5V, áp chuẫn (điều khiển) biên độ 5V bằng 3 cách:

- Tính theo <V.4.2a>: Thành phần cơ bản của áp pha tải u A (cũng là áp pha nguồn u An ) có biên độ là 200*5/(2*5) =100 volt vì u A có biên độ là 200/2 volt

- Tính theo <V.4.4a>: m a = 1 U 1 = 0.5 m a U = 100 volt

- Tính theo <V.4.5> m a = 1, m o =0.7855 m a = 0.7855 Biên độ thành phần cơ bản dạng sóng 6 nấc U1sixstep = 2U/π = 127.4 volt => U 1 = 100 volt

5 Các phương pháp điều chế độ rộng xung

khác:

a Điều chế theo mẫu:

Khi điều khiển dùng vi xử lý, việc tạo ra và so

sánh các dạng sóng thực hiện bằng phần mềm Ta có

thể thay thế sóng hình sin bằng dạng sóng nấc thang

để giảm khối lượng tính toán như hình V.4.9.a

Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng

Khi điều chế đối xứng, số giá trị hình sin trong một

chu kỳ bằng bội số điều chế N = f C / f O (tần số lấy

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

mẫu bằng tần số sóng tam giác) Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức (từ

hình V.4.9b) khi để ý các tam giác đồng dạng:

ROM và tính ra các độ rộng theo T S , tỉ số U M / U C

Khi điều chế không đối xứng, số lần tính hàm sin tăng lên gấp đôi (hình V.4.8.c)

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

Là phương pháp tiên tiến nhất hiện nay, thích hợp việc ứng dụng các phần tử tính toán cho điều rộng xung hình sin

- Vector không gian của áp ba pha: là cơ sở của kỹ thuật điều chế vector không gian, mô tả hoạt động hệ thống ba pha dưới dạng vector Ta có các trường hợp sau :

* Hệ ba pha hình sin đối xứng U.sin

ωt , U.sin(ωt - 2π/3), U.sin(ωt - 4π/3) có thể

biểu diễn bằng vector U quay góc ωe là

tốc độ (điện) của từ trường quay

* Nghịch lưu 6 nấc thang có thế biểu

diễn bằng bộ 6 vector U1, U2, U3, U4,

5

U , U6 mô tả sáu trạng thái của các ngắt

điện trong bộ nghịch lưu (hình V.4.10a và

V.4.10b) Sáu vector này làm thành lục

giác đều và áp ra lần lượt đi qua các đỉnh

Khi phân tích các vector không gian này

theo các vector cơ hệ 1, a = e j2π/3,

a2 = e –j2π/3, ta có các trạng thái đóng ngắt

của các ngắt điện tương ứng Hình V.4.10a: Vector pha không gian

Nhận xét là ở nghịch lưu 6 nấc thang, biên độ áp ra không thay đổi được và vector không gian là gián đoạn, di chuyển nhảy cấp làm sóng hài bậc cao có biên độ lớn

Hình V.4.10: Vector pha không

gian của NL sáu nấc thang (6

step) áp nguồn U

Trạng thái

Ngắt điện đóng

áp pha tải

* Khi điều rộng xung hình sin với tần số sóng mang là f C = N.f O , hệ thống sẽ gồm N

vector trạng thái nằm trên đường tròn có bán kính thay đổi theo áp ra mong muốn

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian là mô tả các vector trạng thái này theo các vector của NL sáu nấc thang (hình V.4.11a) Để có được biên độ áp ra mong muốn, ta bổ sung thêm hai trạng thái U0(0, 0, 0) và U7(1,1,1) tương ứng với ba ngắt điện S1, S2, S3 cùng ngắt và cùng đóng, tương ứng áp ra bằng không

Hình V.4.11.a: Phân tích áp ra thành các

thành phần không gian

pha b

Tc

S2pha c

TsS2

to

U1to

S2

2

U2ta

S5

S3

U2tb

S5S6

U7

S5S6

U72

S5S6

S4

S4to

S6

S12

S6S1

Uo

taS1

Uotb

TcS2

to

Hình V.4.11.b:

- Công thức cho điều chế vector không gian:

Để thực hiện vector không gian U* có biên độ U* bằng bộ nghịch lưu ba pha, ta có thể phân tích U* thành hai thành phần nằm trên 2 vector lân cận của NL 6 nấc thang, ví dụ như trên hình V.4.11.a, vector điện áp U* có vị trí

ωt = α ở giữa U1và U2 (góc 1/6 thứ 1) có thể phân

tích thành hai thành phần U a, U b nằm trên U1và

2

*.sin( )3

π αα

=> t O =T t t C- -a b là thời gian có áp ra bằng zero

thời gian có áp ra bằng zero t O có thể chọn là vectơ U0(0, 0, 0) hay U7(1,1,1), sao cho số lần chuyển mạch là ít nhất Hình V.4.11.b trình bày dạng sóng đóng ngắt đối xứng, góc α được lấy ở

vị trí giữa của khoảng thời gian lấy mẫu Ts, giống như trường hợp điều chế theo mẫu ở phương

án đối xứng (hình V.4.11.c) Cần lưu ý là chuỗi đóng ngắt t o , t a , t b được chọn lại khi thay đổi tổ hợp vevtor 6 nấc sao cho số lần chuyển mạch là ít nhất

Điều kiện để các tính toán trên có ý nghĩa là TC > + ta tb, tương ứng U* nằm phía trong hình lục giác đều hình V.4.9, suy ra biên độ áp ngỏ ra cực đại *