GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu một pha a điều khiển b bán điều khiển Dạng sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R được vẽ trên hình 3-6a.. Hình 3-8 trình bày d

CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN

Chỉnh lưu một pha, ba pha không điều khiển, được trình bày ở chương trước, không cho phép điều khiển điện năng được biến đổi từ xoay chiều (ac) thành một chiều (dc) Khả năng biến đổi điện năng này có thể thực hiện được nhờ sử dụng các thyristor công suất trong mạch chỉnh lưu Chương này đề cấp đến hai loại cơ bản của chỉnh lưu điều khiển là: chỉnh lưu một pha điều khiển và chỉnh lưu ba pha điều khiển

Cả hai dạng chỉnh lưu điều khiển đều được áp dụng trong phần lớn các thiết bị điện

3.1 Chỉnh lưu một pha điều khiển

Chỉnh lưu một pha điều khiển ngày càng được phạm vi ứng dụng rộng lớn Như trên hình 3-1, chỉnh lưu một pha điều khiển có thể phân chia thành hai nhóm lớn:

(i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, còn được biết với cái tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự

(ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, còn được gọi điều chỉnh hệ số công suất (power factor corrector - PFC)

Thời gian gần đây, xuất hiện nhiều quan tâm đến việc kiểm soát sóng hài bậc cao ở phía dòng điện xoay chiều cấp cho chỉnh lưu Đây chính là nguyên nhân chủ yếu cho sự phát triển các hệ thống điều chỉnh hệ số công suất (PFC) Những sơ đồ mạch này sử dụng transistor công suất, làm việc với tần số cao để cải thiện chất lượng dạng sóng dòng điện xoay chiều, từ đó nâng cáo hệ số công suất Chỉnh lưu hệ số công suấ cao được chia thành loại tái tạo và không tái tạo

Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu một pha điều khiển

3.1.1 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự

3.1.1.1 Chỉnh lưu một pha nửa sóng

Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển sử dụng một thyristor để điều chỉnh điện áp cấp cho tải được trình bày trên hình 3-2

Hình 3-2: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển Thyristor sẽ dẫn khi điện áp vAK dương và có xung dòng điện iG đặt vào cực điều khiển Điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra cấp cho tải được thực hiện bằng cách thay đổi góc điều khiển α của xung dòng iG Góc điều khiển α được tính từ thời điểm

có điện áp vAK > 0 (chuyển mạch tự nhiên) Trong trường hợp trên hình 3-2, góc α được tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs Cùng trên hình chúng ta thấy dạng sóng của dòng điện id hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, khi điện áp của tải và

do đó dòng điện đạt giá trị âm

Điện áp đầu ra được tính theo biểu thức:

) cos 1 ( 2

V dx x sin V 2

(a)

R s

Trong đó vR – điện áp rơi trên điện trở, vR R.idNếu vs – vR > 0, từ công thức 3-2 có thể thấy dòng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm khi vs – vR < 0

Dòng điện có thể được xác định theo:







Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta có thể thấy rằng dòng điện id

= 0 khi diện tích phần A1 và A2 bằng nhau (vs = vR) điều này cho thấy thyristor vẫn dẫn điện mặc dù vs < 0 (do có điện áp trên L)

Khi tải gồm điện cảm và nguồn áp (điện cảm tích cực) được nối với bộ chỉnh lưu, như trình bày trên hình 3-3b Thyristor sẽ mở khi có xung dòng iG vào cực điều khiển khi vs > Ed Tương tự như trương hợp R-L, Thyristor vẫn giữ nguyên trạng thái dẫn cho đến khi A1 = A2 Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp trên tải vd = Ed

3.1.1.2 Chỉnh lưu hai pha nửa sóng

Sơ đồ trên hình 2-13, sử dụng điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 và v2 Các điện áp này lệch pha 180o

, và nhận điểm giữa làm điểm trung tính Dòng điện qua các thyristor T1 và T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 và v2dương, khép mạch qua tải và trở về điểm trung tính

Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R Như trên sơ đồ trong hình 3-4, Thyristor T1 có thể được bật trong toàn bộ thời gian khi v1 > 0, xung điều khiển trễ một góc α quyết định thời điểm bật T1 Trạng thái bật của mỗi Thyristor được thể hiện trên đồ thị hình 3-4 Các van tiếp tục dẫn trong chu kỳ của mình cho đến khi điện áp ngược xuất hiện trên van

Giá trị điện áp trên tải được tính theo biểu thức

) cos 1 (

V dx x sin V

Hình 3-5: Ảnh hưởng của hằng số thời gian tải liên tục

3.1.1.3 Chỉnh lưu cầu một pha

Điều khiển chỉnh lưu cầu một pha có hai phương án: điều khiển sử dụng 4 Thyristor (hình 3-6a) và bán điều khiển (điều khiển một phần) sử dụng 2 Thyristor và

2 Diode (hình 3-6b)

Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu một pha a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R được vẽ trên hình 3-6a Các van T1 và T2 phải được mở đồng thời trong nửa sóng

dương của điện áp vs, dẫn dòng Tương tự, các van T3, T4 cũng được mở đồng thời trong nửa sóng điện áp nguồn âm Để đảm bảo tính đồng thời bật của các van T1 và T2người ta dùng chung một dòng kích mở Điện áp trên tải tương tự như với trương hợp hai pha nửa sóng đã xét ở trên Dòng điện xoay chiều:

4 T 1 T

Với dạng sóng được vẽ trên hình 3-7

Hình 3-8 trình bày dạng sóng dòng và áp của trường hợp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải điện trở và điện cảm (L → ∞) Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hoàn toàn dòng điện chỉnh lưu tại tải cũng như dòng điện xuay chiều nguồn vào

Do dòng điện tải liên tục, các Thyristor T1, T2 vẫn giữ nguyên trạng thái mở mặc dù nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn vs đã qua Do nguyên nhân này, điện áp trên tải

vd có thể có giá trị tức thời âm Việc bật các Thyristor T3, T4 mang lại 2 kết quả: Tắt các van T1, T2; sau khi chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải

Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vuông như trên hình 3-8, trong điều kiện dòng điện liên tục Trường hợp đó điện áp trung bình trên tải:

Hình 3-7: Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R

Hình 3-8: Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R-L (L→∞)

3.1.1.4 Phân tích dòng điện nguồn xoay chiều

Xét trường hợp mạch lọc điện cảm có trị số rất cao trong chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, dòng điện nguồn xoay chiều bị lọc và trở thành dạng xung vuông Ngoài ra dòng điện is còn bị lệch pha so với điện áp vs một góc α, bằng góc kích mở van công

suất Dòng điện nguồn xoay chiều có thể biểu diễn theo phân tích Fourier, giá trị của các bậc hài được xác định:

n

I4

) n max(

.

(n = 1, 3, 5, …) Trị hiệu dùng của các thành phần hài bậc n:

n

I 2 2 2

I

) n (

Như vậy trị hiệu dụng thành phần cơ bản:

d d

) 1 (

và (b) phổ các thành phần sóng hài Trị hiệu dụng của dòng điện nguồn xoay chiều:

I I THD

s

2 1 s

2

3.1.1.5 Hệ số công suất của chỉnh lưu

Từ đồ thị hình 2-18a, góc lệch pha giữa dòng và áp của thành phần cơ bản và góc kích mở van công suất bằng nhau (φ1 = α)

1 1 s s T

o

s

s( t ) i ( t ) dt V I cos v

I PF

s

1 s

Biểu thức này cho thấy, với dòng điện nguồn xoay chiều không sin, hệ số công suất của chỉnh lưu chịu tác động xấu của cả góc mở α và độ biến dạng méo của dòng điện nguồn Kết quả độ biến dạng dòng điện nguồn tăng lên sẽ làm tăng trị hiệu dụng

Is và theo 3-16, giảm hệ số công suất

3.1.1.6 Quá trình chuyển mạch của Thyristor

Cho tới giờ quá trình chuyển mạch giữa các Thyristor được xem như diễn ra tức thời Tuy nhiên điều này lại không xảy ra trong thực tế do tính chất điện cảm của mạch nguồn như trên hình 3-10a Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện qua các Thyristor không đổi ngay lập tức, vì thế tồn tại một góc chuyển mạch μ nào đó mà cả 4 thyristor đồng thời dẫn Vì thế trong quá trình chuyển mạch hệ quả của hiện tượng đồng dẫn làm cho điện áp trên tải bằng 0

0

Do ảnh hưởng của quá trình chuyển mạch, dạng sóng của dòng, áp nguồn, dòng tải có dạng như trên hình 3-10b

Hình 3-10: Quá trình chuyển mạch a) sơ đồ b) dạng sóng Trong quá trình chuyển mạch, điện áp được biểu diễn theo biểu thức

tsinVvdt

di

L s  s  m  với  t (3-18) Lấy tích phân cả hai vế trong thời gian chuyển mạch, ta có:

I

L

V di

I V

L 2 cos )

Biểu thức 3-17 và dạng sóng trong hình 3-10b cho thấy quá trình chuyển mạch làm giảm điện áp trung bình trên tải Vdα Nếu kể đến chuyển mạch, biểu thức điện áp tải được tính theo biểu thức

d m

3.1.1.7 Chế độ nghịch lưu

Khi góc kích mở α > 90o, điện áp trung bình trên tải có thể đạt giá trị âm

Trường hợp này công suất được truyền ngược từ tải sang nguồn xoay chiều Chế độ làm việc này được gọi là chế độ nghịch lưu, bởi vì năng lượng được truyền từ phía một chiều (dc) sang phía xoay chiều (ac) Trong thực tế, chế độ này có thể gặp ở các mạch

mà tải được bố trí như trên hình 3-11a Cần lưu ý rằng chỉnh lưu chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều Trong hình 3-11b là dạng sóng điện áp tải ở chế độ nghịch lưu khi bỏ qua điện cảm nguồn L

Phần trước đã giải thích rõ ràng ảnh hưởng của điện cảm nguồn L làm tăng thời gian chuyển mạch μ Như trên hình 3-11c, điện áp trên thyristor vT1 sẽ có giá trị âm trong khoảng γ, được xác định theo biểu thức:

)(



Trong đó ω – tần số nguồn điện và tq – thời gian đóng thyristor

Nếu như  .tq, thyristor chưa đóng hoàn toàn đã được đặt điện áp thuận sẽ dẫn Từ đó góc kích mở lớn nhất có thể áp dụng:

Hình 3-11: Chỉnh lưu trong chế độ Inverter a) sơ đồ mạch b) dạng sóng khi bỏ qua điện cảm c)

dạng sóng khi có tính tới điện cảm L

3.1.1.8 Các ứng dụng

Ứng dụng quan trọng bậc nhất của chỉnh lưu điều khiển bao gồm thiết bị cấp nguồn liên tục (uninterruptible power supplies – UPS) dùng cấp nguồn cho các tải quan trọng Hình 3-12 mô tả sơ đồ khối đơn giản của UPS, thiết kế với công suất nhỏ hơn 10kVA Các bộ chỉnh lưu nguồn (điều khiển hoặc bán điều khiển) tạo nguồn điện một chiều hoặc phận xạc ắc quy của UPS Đầu ra của mạch nghịch lưu có bộ phận lọc trước khi cấp cho tải

Hình 3-12: Ứng dụng chỉnh lưu có điều khiển trong UPS Các chế độ làm việc của UPS:

(i) Chế độ bình thường: Trường hợp sử dụng điện áp lưới Tải được cung cấp từ nguồn thông qua hệ thống Chỉnh lưu – Nghịch lưu và lọc Mạch chỉnh lưu xạc ắc qui

(ii) Chế độ cắt điện: Trường hợp không có điện áp lưới Tải được cung cấp từ

ắc qui thông qua hệ thống Nghịch lưu và lọc

(iii) Chế độ Bypass: Trường hợp tải cần công suất lớn hơn công suất cả Inverter, hệ thống Bypass đóng nguồn trực tiếp đến tải

Điều khiển động cơ một chiều công suất nhỏ là ứng dụng phổ biến của chỉnh lưu cóa điều khiển Trên sơ đồ hình 3-13, thiết bị chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều chỉnh điện áp phần ứng và do đó điều khiển được dòng điện cấp cho động cơ để có được mô men quay theo yêu cầu

Cấu trúc này chỉ cho dòng điện đi vào động cơ theo một chiều trong khi điện áp trên động cơ lại có thể đạt được cả giá trị âm và dương Chính vì vậy mạch chỉ làm việc ở hai góc phần tư của hệ trục id và Vdα

Hình 3-13: Điều khiển động cơ một chiều hai góc phần tư: (a) sơ đồ mạch

(b) góc phần tư làm việc Mạch có đặc tính tốt hơn sử dụng 2 bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc ngược nhau với nhánh có động cơ như trên hình 3-14 Cấu trúc này thường được gọi là Inverter và

có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư Bộ chỉnh lưu 1 cấp dòng điện dương, bộ chỉnh lưu

2 cấp dòng điện âm (ngược chiều) Động cơ có thể làm việc ở các chế độ quay thuận

(sinh công), quay thuận (hãm), quay ngược (sinh công) và quay ngược (hãm)

Hình 3-14: Four-quadrant dc drive: (a) circuit and (b) quadrants of operation

3.1.2 Điều chỉnh hệ số công suất chỉnh lưu một pha điều khiển

3.1.2.1 Các vấn đề liên quan đến hệ số công suất

Những nhược điểm chính của chỉnh lưu một pha chuyển mạch: (i) gây nên chậm pha của dòng với điện áp ảnh hưởng đến công suất hữu ích; (ii) tạo ra lượng

sóng hài nguồn xoay chiều Làm giảm hệ số công suất và công suất tác dụng Gần đây,

chỉnh lưu một pha được sử dụng rộng rãi làm tăng các vấn đề chất lượng hệ thống

điện Ví dụ, trong tòa nhà thương mại có thể có 50% thậm chí 90% số thiết bị không

sử dụng trực tiếp dòng điện xoay chiều mà phải qua bộ chỉnh lưu Nhiều bộ chỉnh lưu

có hệ số méo dạng tổng dòng điện THDi > 40%, là nguồn gốc gây nên sự quá tải trầm

trọng trên đường truyền và máy biến áp

Sơ đồ chỉnh lưu một pha với tụ lọc (hình 3-15), được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công suất thấp Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng như trong hình 3-15b, trong đó có méo dạng cao do tác động của tụ lọc điện áp Các sóng hài bậc cao trong hình 3-16 và bảng 3-1 và hệ số méo dạng THDi = 197%

Bộ chỉnh lưu trên hình 3-15 có hệ số công suất rất thấp PF = 0,45 do có lượng lớn sóng hài

Hình 3-15: Chỉnh lưu một pha a) sơ đồ b) dạng sóng dòng điện xoay chiều nguồn

Hình 3-16: Các thành phần sóng hài của chỉnh lưu cầu một pha

Bảng 3-1: Thành phần sóng hài của dòng điện trong hình 3-16

In /I1 [%] 96.8 90.5 81.7 71.0 59.3 47.3 35.7 25.4 16.8 10.6

3.1.2.2 Tiêu chuẩn sóng hài bậc cao trong chỉnh lưu một pha

Những vấn đề liên quan có nguồn gốc từ sóng hài của bộ chỉnh lưu một pha điều khiển thúc đẩy các tổ chức đưa ra những tiêu chuẩn về sóng hài cho các bộ biến đổi điện năng Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61000-3-2: Class D thiết lập giới hạn cho các

bộ biến đổi một pha công suất thấp bao gồm dòng điện xoay chiều đầu vào theo “dạng sóng đặc biệt” và công suất tác dụng đầu vào P ≤ 600 W Thiết bị trong Class D có dạng sóng dòng điện đầu vào nằm trong giới hạn “envelope” thể hiện trong hình 3-15b Những thiết bị nhóm này phải đáp ứng giới hạn sóng hài nhất định, được trình bày trong hình 3-16 Rõ ràng có thể thấy, sơ đồ chỉnh lưu một pha điều khiển, trong hình 3-15a, với các thông số không đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 Class D Và để đáp ứng tiêu chuẩn này chỉ có cách bổ xung thêm bộ phận lọc thụ động đủ lớn, làm tăng kích thước và giá thành bộ chỉnh lưu Sự ra đời của tiêu chuẩn này thúc đẩy quá trình phát triển các phương pháp mới cải thiện và nâng cao chất lượng dòng điện xoay chiều đầu và đồng thời nâng cao hệ số công suất

3.1.2.3 Chỉnh lưu tăng áp

Một trong những phương pháp chỉnh lưu nâng cao hệ số công suất quan trọng, theo quan điểm lý thuyết và thực tế, được gọi là chỉnh lưu một pha tăng áp, thể hiện trong hình 3-17a, nguyên tắc chỉnh lưu mới được kết hợp từ chỉnh lưu cầu không điều khiển bổ xung thêm transistor T, diode D và điện cảm L

a Nguyên lý làm việc – Các khái niệm cơ bản

Trong chỉnh lưu tăng áp, dòng điện xoay chiều đầu vào is(t) được điều khiển thông qua trạng thái dẫn của transistor T Khi transistor T ở trạng thái dẫn, nguồn điện xoay chiều khép ngắn mạch qua điện cảm L, như trên hình 3-17b; diode D ngăn không cho dòng điện xả của tụ lọc C đi qua transistor Dòng điện trên điện cảm iL được xác định theo biểu thức

L

vL

vdt

L

vvL

vdt

Hình 3-17: Chỉnh lưu một pha tăng áp (a) sơ đồ và dòng điện khi T (b) dẫn (c) không dẫn

b Chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM)

Với chuỗi xung kích mở thích hợp cho transistor T, dạng sóng của dòng điện xoay chiều có thể được điều khiển theo dạng hàm sin tương ứng, như ta thấy trong nửa sóng dương ở hình 3-18a Trong hình vẽ này là quan hệ giữa dòng điện trên điện cảm mong muốn, dòng trên điện cảm thực tế và chuỗi xung x ở cực điều khiển transistor T (T bật khi x = 1 và tắt khi x = 0)

Hình 3-18: Dòng điện iL a) dạng sóng b) tín hiệu điều khiển transitor x Theo hình 3-18 có thể thấy rõ ràng trạng thái bật (và tắt) của transitor T kéo theo sự tăng (giảm) dòng điện iL trên điện cảm

Chú ý rằng với các giá trị vs nhỏ, điện cảm không đủ năng lượng tích trữ để tăng giá trị dòng điện, chỉnh vì lý do đó độ méo dạng sóng dòng điện như trên hình 3-18a

Hình 3-19 giới thiệu cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống điều khiển chỉnh lưu tăng

áp, trong đó bao gồm cả khâu điều khiển vi-tích phân (PI) để điều khiển điện áp đầu ra

v0 Giá trị tham chiếu iLref dùng cho vòng điều khiển trong được lấy từ khâu nhân tín hiệu giữa điện áp khâu điều khiển với giá trị tuyệt đối |vs(t)| Bộ điều khiển trễ thực

hiện điều khiển nhanh dòng iL và kết quả thực tế thu đương dạng sóng dòng điện

nguồn xoay chiều gần tương tự như sóng sin

Hình 3-19: Hệ thống điều khiển của chỉnh lưu tăng áp Thông thường, điện áp đầu ra v0 phải lớn hơn biên độ điện áp nguồn vs(t) ít nhất 10%, để đảm bảo điều kiện để có thể điều khiển linh hoạt dòng điện Khi đó quá trình điều khiển diễn ra theo chiến thuật sau: tăng giá trị điện áp tham chiếu đầu ra v0.ref làm tăng sai số (mức lệch) điện áp v0.ref – v0 và làm tăng tín hiệu điều khiển đầu ra khâu PI, tín hiệu này là nguyên nhân làm tăng biên độ của dòng điện tham chiếu iL.ref Bộ điều khiển dòng sẽ bám theo giá trị tham chiếu mới cũng tăng biên độ của sóng sin dòng điện đầu vào, tăng lượng công suất tác dụng được truyền qua bộ chỉnh lưu và cuối

cùng làm tăng điện áp đầu ra v0

Hình 3-20: Dạng sóng dòng, áp xoay chiều đầu vào chỉnh lưu tăng áp: (a) không lọc điện áp v0;

(b) có lọc điện áp v0; phổ tần số; (c) không lọc; và (d) có lọc Hình 3-20 là dạng sóng dòng điện và điên áp nguồn vs Những gợn sóng của dòng điện có thể được làm nhỏ đi bằng cách rút ngắn độ rộng khoảng trễ δ Sự cải

thiện này đánh đổi bằng tăng tần số đóng mở, tỉ lệ thuận với tổn hao chuyển mạch của

transistor Đối với một chiều rộng trễ nhất định, trị số điện cảm giảm kéo theo tăng tần

số đóng ngắt Như ta thấy trên hình, dòng điện xoay chiều cho thành phần hài bậc 3 Thành phần này do sóng hài bậc 2 có trong điện áp v0 được cấp ngược thông qua khâu điều khiển (PI) và kết hợp với sóng sin do thành phần bậc 3 của dòng iL.ref Những sóng hài nhiễm vào thành phần cơ bản có thể loại bỏ bằng cách lọc điện áp v0, với bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc chặn trên ở phạm vi 2ωs Dòng điện xoay chiều đầu vào có dạng sóng trên hình 3.20b khi thực hiện lọc Hình 3.20d cho thấy sự kết quả giảm sóng hài bậc 3

Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, sự giảm mạnh ở các thành phần sóng hài trong dòng điện xoay chiều, có thể thấy trong hình 3-20c và 3-20d Dòng điện đáp ứng những giới hạn được thiết lập tại tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 Độ méo dạng tổng của dòng điện trong hình 3-20a chỉ có THD = 7,46% và hình 3-20b là THD = 4,83% Trong cả hai trường hợp hệ số công suất đạt giá trị rất cao, vượt quá 0,99

Trong hình 3.21, cho thấy vòng điều khiển điện áp dc theo bước thay đổi Với tải tăng, ở thời điểm t = 0,3 (s), điện áp đầu ra v0 giảm, nhỏ hơn điện áp tham chiếu, sự giảm điện áp này được bù lại từ sự tăng dòng điện is Thời điểm t = 0,5 (s), là quá trình đáp ứng khi tải giảm Bộ điều khiển điện áp một chiều lại giảm dòng điện xoay chiều đầu vào để cân bằng công suất tác dụng

Hình 3-21: Đáp ứng sự thay đổi tải (a) điện áp dầu ra v0; (b) dòng điện xoay chiều is

c) Chế độ dẫn gián đoạn (Discontinuous Conduction Mode - DCM)

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất PFC dựa trên kích hoạt dòng điện theo dạng sóng định trước Có hai cách khác nhau để hiện thực phương pháp này: tần số

chuyển mạch cố định và tần số chuyển mạch thay đổi Cả hai cách thức này được thể hiện trong hình 3-22

DCM với tần số chuyển mạch cố định Dạng sóng dòng điện tập hợp từ ba chế độ trong khoảng thời gian một chu kỳ chuyển mạch Ts Giai đoạn đầu mỗi chu kỳ (mode 1) BJT được bật dẫn điện, trong giai đoạn dẫn (hình 3-23a) nguồn được nối tắt khép mạch qua diode chỉnh lưu, điện cảm L và chuyển mạch boost T Khi đó dòng điện iL tăng theo tỉ lệ với điện áp tức thời của nguồn Như vậy, trong giai đoạn bật, giá trị trung bình của dòng điện tỉ lệ với điện

áp nguồn vs, chính là điều cần thiết để điều chỉnh hệ số công suất

Khi chuyển mạch được tắt (mode 2), dòng điện chảy đến tải thông qua diode D, như trong hình 3-23b Dòng điện tức thời có trị số giảm (cho đến lúc điện áp v0 lớn hơn biên độ điện áp nguồn) theo tỉ lệ với hiệu sô điện áp nguồn và điện áp tải Giai đoạn cuối (mode 3) như trong hình 3-23c, tương ứng với thời gian dòng điện đạt giá trị

0, kết thúc quá trình chuyển mạch Ts

Hình 3-22: Chế độ dẫn gián đoạn (a) với tần số chuyển mạch cố định; (b) với tần số chuyển

mạch thay đổi

Hình 3-23: Sơ đồ tương đương của chế độ tăng áp DCM: (a) Mode 1: BJT bật, iL tăng; (b)

Mode 2: BJT tắt, iL giảm; (c) Mode 3: BJT tắt, iL = 0

Như vậy, trong chu kỳ điều khiển, có thời giai đoạn dòng điện nguồn không tỉ

lệ với điện áp nguồn, mang đến những méo dạng không mong muốn so với chế độ dẫn liên tục CCM

Chu kỳ tác động D = ton /Ts được xác định từ vòng điều khiển theo nhiệm vụ có được công suất đầu ra mong muốn và hoàn thành chu kì làm việc DCM, có nghĩa dòng điện đạt giá dạng trị 0 trước khi bắt đầu chu kỳ Ts mới Nguyên tắc điều khiển có thể được giải thích trên sơ đồ mạch tương tự (hình 3-24), hoặc mạch số Thông thường, chu kỳ tác động được kiểm soát bởi vòng điều khiển chậm, duy trì điện áp đầu ra và chu kỳ tác động thay đổi trpng phạm vi một nửa chu kỳ nguồn

Ví dụ về chất lượng điện áp và dòng điện có được khi sử dụng DCM được trình bày trên hình 3-25

Hình 3-24: Tăng áp DCM với tần số chuyển mạch cố định

Hình 3-25: Dạng sóng của Tăng áp DCM: điện áp nguồn vs, xung điều khiển BJT, dòng điện

nguồn is

DCM với tần số chuyển mạch thay đổi Nguyên lý làm việc giống như đối với loại tần số cố định, sự khác biệt chính ở đây là không có chế độ (mode 3) do BJT được bật ngay sau khi dòng điện đạt giá trị 0 Phương pháp này giảm độ méo dạng dòng điện nhưng đổi lại phải thực hiện tần số chuyển mạch thay đổi (Ts thay đổi) và do đó giảm đặc tính cải thiện sóng hài

Cả hai phương pháp CCM và DCM đều có được sự cải thiện hệ số công suất Phương pháp DCM có hiệu quả hơn khi loại bỏ được các tổn hao khi diode phục hồi tích chất ngược, tuy nhiên phương pháp này có độ gợn sóng cao, độ méo dạng đáng kể

và thông thường hoàn thành được yêu cầu loại bỏ sóng hài bậc 5 Do đó, chỉnh lưu tăng áp DCM ở giới hạn ở công suất đến 300W đáp ứng tiêu chuẩn và qui định

Phương pháp DCM với tần số thay đổi giảm hiệu quả về tiêu chuẩn sóng hài, do dòng điện được phân bổ trong phổ rộng

d Cấu trúc cộng hưởng cho chỉnh lưu tăng áp

Một chỉ số quan trong trong điện tử công suất – các tổn hao trong các linh kiện bán dẫn công suất Các tổn hao này chia làm hai nhóm chính: tổn hao bán dẫn

(conductin losses) và tổn hao chuyển mạch (switching losses), như trong hình 3-26

Tổn hao bán dẫn do dòng điện đi qua mặt tiếp giáp, và như vậy tổn hao này không tránh khỏi Còn tổn hao chuyển mạch, xuất hiện trong thời điểm thay đổi trạng thái dẫn điện của các linh kiện, có thể giảm xuống hoặc thậm chí loại bỏ được nếu như chuyển mạch được thực hiện khi: (a) dòng điện đi qua linh kiện bán dẫn bằng không; (b) điện áp giữa hai điểm của linh kiện bán dẫn bằng không Chế độ chuyển mạch trên được gọi là cộng hưởng

Hình 3-26: Tổn hao bán dẫn và tổn hao chuyển mạch ở linh kiện chuyển mạch công suất Chuyển mạch cộng hưởng còn được sử dụng trong chỉnh lưu tăng áp Để đáp ứng yêu cầu này, sơ đồ chỉnh lưu tăng áp trong hình 3-17 có một số thay đổi, bằng cách bổ xung phần tử phản kháng và linh kiện bán dẫn

Trong hình 3.27 cấu trúc cộng hưởng với dòng điện chuyển mạch bằng không (zero current switching - ZCS) Như ta thấy, sơ đồ được bổ xung thêm các phần tử: cuộn cảm (Lr1, Lr2), tụ điện (Cr ), diodes (Dr1, Dr2), và van chuyển mạch (Sr)

Tương tự, trong hình 3-28 cấu trúc công hưởng chuyển mạch với điện áp chuyển mạch bằng không (zero voltage switching - ZVS) Có bổ xung các phần tử cuộn cảm (Lr ), tụ điện (Cr ), và van chuyển mạch công suất (Sr ), lưu ý: diode D được thay bằng hai “diode cộng hưởng” Dr1 và Dr2

Trong cả hai cấu trúc ZVS hoặc ZCS, điều kiện công hưởng đạt được thông qua điều khiển van chuyển mạch công suất Sr

Hình 3-27: Chỉnh lưu Tăng áp với ZCS

Hình 3-28: Chỉnh lưu Tăng áp với ZVS

e Chỉnh lưu không cầu tăng áp

Chỉnh lưu tăng áp không cầu được trình bày tại hình 3-29, trong đó cầu diode được thay thế bằng hai chỉnh lưu tăng áp làm việc tuần tự: (a) khi vs dương, T1 và D1làm việc như chỉnh lưu tăng áp (hình 3-29b); khi vs âm, T2 và D2 làm việc như chỉnh lưu tăng áp 2 (hình 3-29c) Cấu trúc này giảm tổn thất chuyển mạch, tuy nhiên đòi hỏi mạch điều khiển phức tạp hơn

Hình 3-29: (a) Chỉnh lưu tăng áp không cầu; sơ đồ tương đương khi (b) điện áp vs >0 ; và (c)

điện áp vs < 0

3.1.2.4 Chỉnh lưu nhân đôi điện áp PWM

Hình 3-30 so đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp bằng điều chỉnh độ rộng xung (PWM), sử dụng 2 transistors T1 and T2 và 2 tụ lọc C1 and C2 Các transistor được điều khiển bật tắt để điều khiển dạng sóng dòng điện nguồn theo điện

áp đầu ra v0 Điện áp rơi trên các tụ điện VC1 and VC2 cần phải cao hơn biên độ điện áp nguồn vs để thực hiện được các thao tác điều khiển dòng điện nguồn

Sơ đồ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu khi transistor T1 bật, thể hiện trong hình 3-30b Khi đó điện áp trên cuộn cảm theo biểu thức:

0v)t(vdt

diL

Biểu thức 3-28 có nghĩa trong trạng thái dẫn này, giá trị dòng điện is(t) giảm

Hình 3-30: Chỉnh lưu nhân đôi điện áp: (a) sơ đồ mạch; (b) sơ đồ tương đương khi T1 bật; (c) sơ

đồ tương đương khi T2 bật Mặt khác, sơ đồ mạch tương đương khi transistor bật thể hiện trong hình3-30c, với biểu thức điện áp trên cuộn cảm:

0v)t(vdt

diL

Rõ ràng, lúc này giá trị dòng điện is(t) tăng

Từ đó ta thấy, dạng sóng của dòng điện xoay chiều có thể ddieeeuf khiển được thông qua bật tắt luân phiên các transistor T1 và T2 giống như quá trình được thể hiện trong hình 3-18a cho bộ biến đổi chỉnh lưu một pha tăng áp Hình 3-31 thể hiện sơ đồ khối của hệ thống chỉnh lưu nhân đôi điện áp, nó rất giống với sơ đồ khối của chiinhr lưu tăng áp Dạng mạch này có thể gây nên sự mất cân bằng giữa điện áp trên các tụ điện VC1 và VC2, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Vấn đề này được giải quyết bằng cách bổ xung thêm một phần tử cấp tìn hiệu điều khiển tỉ lệ với độ lệch điện áp

trên các tụ Hình 3-32 thể hiện dạng sóng dòng điện nguồn, biên độ gợn sóng của dòng này có thể giảm được bằng điều chỉnh bằng đọ rộng thời gian trễ

Hình 3-31: Hệ thống điều khiển chỉnh lưu nhân đôi điện áp

Hình 3-32: Dạng sóng dòng điện trong chỉnh lưu nhân đôi điện áp

3.1.2.5 Chỉnh lưu cầu PWM

Hình 3-33a vẽ sơ đồ mạch lực của chỉnh lưu điều khiển PWM kết nối theo mạch cầu, trong đó dùng 4 transistor và diode chống dòng ngược mắc song song để điều khiển điện áp một chiều v0 Với cách chuyển mạch PWM lưỡng cực, bộ biến đổi

có hai chế độ dẫn: (i) Transistor T1 và T4 bật, T2 và T3 tắt; (ii) Transistor T2 và T3 bật,

T1 và T4 tắt Trong cấu trúc này, điện áp đầu ra v0 phải lớn hơn biên độ điện áp xoay chiều nguồn vs, đảm bảo điều kiện thích hợp điều khiển dòng điện xoay chiều

Hình 3-33b, mạch điện tương đương khi T1 và T4 bật, khi đó điện áp trên cuộn cảm được xác định:

0v)t(vdt

diL

Và dòng điện trên điện cảm is biến đổi giảm

Hình 3-33c, mạch điện tương đương khi T2 và T3 bật, khi đó điện áp trên điện ccarm tihnhs theo biểu thức:

0v)t(vdt

diL

Điều này có nghĩa dòng điện is có giá trị tăng

Hình 3-33: Chỉnh lưu một pha PWM kết nối cầu: (a) sơ đồ mạch; (b) sơ đồ tương đương khi T1

và T4 bật; (c) sơ đồ tương đương khi T2 và T3 bật; (d) sơ đồ tương đương khi T1 và T3 hoặc T2

và T4 bật; và (e) dạng sóng dòng điện xoay chiều nguồn

Trường hợp cuối cùng, ở hình 3-33d, sơ đồ tương dương khi T1 và T3 hoặc T2

và T4 bật Lúc đó, điện áp nguồn khép mạch qua cuộn cảm L, và điện áp được tính

theo:

0 V ) t ( v dt

di L

Biểu thức này cho thấy giá trị dòng điện phụ thuộc vào dấu của điện áp vs Dạng sóng dòng điện nguồn có thể điều chỉnh bằng cách chuyển mạch thích hợp giữa T1–T4 hoặc T2–T3, tương tự như ở hình 3-18a cho trường hợp chỉnh lưu một pha tăng áp Phương pháp điều khiển giống như trường hợp trong hình 3-31, cho dạng

sơ đồ nhân đôi điện áp Chất lượng dòng điện xoay chiều nguồn như trong hình 3-32

Dạng sóng dòng điện xoay chiều được cải thiện đáng kể nếu có sử dụng thêm chế độ hình 3-33d, với ưu điểm thay thế điều khiển độ trễ dòng điện với điều khiển tuyến tính và điều khiển PWM ba cấp Phương pháp này giảm tần số chuyển mạch và

có phổ dòng điện rõ ràng hơn

Cuối cùng, có thể thấy rằng các đặc tính nổi bật của bộ biến đổi PWM điều khiển kết nối cầu và nhân đôi điện áp là khả năng tái sinh của chúng Những bộ chỉnh lưu loại này có thể cấp công suất cho tải từ nguồn xoay chiều một pha, độ méo dạng rất thấp và hệ số công suất rất cao PF > 0,99 Hình 3-33e cho thấy, trong quá trình làm việc, dòng điện xoay chiều nguồn lệch pha 180o so với điện áp, có nghĩa PF ≈ -1 (PF gần đạt tới giá trị 1, do các thành phần hài rất nhỏ trong dòng điện xoay chiều nguồn)

3.1.2.6 Ứng dụng của điều chỉnh hệ số công suất chỉnh lưu

a Các ứng dụng chỉnh lưu tăng áp

Chỉnh lưu một pha tăng áp trở nên thông dụng trong số các thiết bị cấp nguồn

có chức năng điều chỉnh hệ số công suất (PFC) Để giảm giá thành, in general purpose power supplies To reduce the costs, áp dụng hệ thống điều khiển như trong hình 3-19

và các transistor công suất điều khiển cực đươc kết nối với mạch tích hợp (IC), như UC3854 hoặc MC33262 Sơ đồ trong hình 3-34

Hình 3-34: Sơ đồ khối đơn giản (a) bộ điều chỉnh hệ số công suất dùng IC và (b) chấn lưu điện

tử có điều chỉnh hệ số công suất Ngày nay các bộ chấn lưu đèn huỳnh quang dùng công nghệ tần số cao dần thay thế các chấn lưu cuộn cảm Các chấn lưu điện tử cần có bộ biến đổi ac/dc Để đáp ứng

yêu cầu giảm sóng hài, đạt chất lượng cao về hiệu suất cvà hệác bộ chỉnh lưu hệ số công suất cáo được sử dụng như trong hình 3-35

b Chỉnh lưu PWM nhân đôi điện áp

Phát triển các bộ điều khiển động cơ hiện đang là chủ đề có nhiều quan tâm, đặc biệt trong phạm vi công suất nhỏ Hình 3-35 trình bày cấu trúc bộ biến đổi dành cho các động cơ công suất thấp Cấu trúc bao gồm: động cơ ba pha công suất nhỏ, được cấp điện bằng nguồn điện xoay chiều một pha Các transistors T1, T2 và tụ điện

C1, C2 tạo ra điện áp nhân đôi của chỉnh lưu một pha, được điều khiển thông qua điện

áp hồi tiếp và tạo ra dạng sóng sin cho dòng điện xoay chiều nguồn, có hệ số công suất gần bằng một Ben cạnh đó các transistor T3,T4,T5, T6 và các tụ điện C1 and C2 tạo ra nguồn điện không đối xứng cấp cho động cơ Một đặc điểm của mạch động lực trong hình 3-35, tụ điện tái tạo năng lượng cho nguồn xoay chiều một pha

Hình 3-35: Bộ điều khiển động cơ giá rẻ

3.2 Chỉnh lưu ba pha điều khiển

Chỉnh lưu ba pha có điều khiển được áp dung rộng rãi từ các thiết bị chỉnh lưu công suất nhỏ cho đến thiết bị truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC) Thiết bị chỉnh lưu ba pha còn được dùng trong các quá trình điện hóa, điều khiển động cơ, điều khiển nguồn điện và rất nhiều các ứng dụng khác Dựa trên quá trình chuyển mạch, có thể phân chia thành 2 loại như sau: chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch (chỉnh lưu thyristor) và chỉnh lưu điều chỉnh độ rộng xung (pulse width modulated - PWM)

3.2.1 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự

3.2.1.1 Chỉnh lưu ba pha nửa sóng

Nguyên lý sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha nửa sóng trình bày trên hình 3-36a Điều chỉnh điện áp chỉnh lưu, sơ đồ dùng 3 thyristor mắc chung Kathode Điện áp nguồn

xoay chiều được coi là lý tưởng

Thyristor sẽ dẫn (trạng thái bật) khi điện áp Anode – Kathode vAK dương và đồng thời có xung kích mở iG vào cực điều khiển Góc trễ xung điều khiển α được tính

từ điểm giao của các điện áp pha nguồn là khi điện áp vAK bắt đầu dương

Hình 3-36: Chỉnh lưu ba pha nửa sóng có điều khiển (a) sơ đồ mạch; (b) giá trị tức thời vd và giá

Hình 3-38: Dạng sóng dòng điện chỉnh lưu

Như thấy trên hình 3-38, khi tải điện trở, dạng sóng dòng điện và điện áp chỉnh lưu là như nhau Khi tăng giá trị điện cảm của tải, dòng điện trở lên bằng phẳng hơn và cuối cùng trở nên phẳng hoàn toàn Các thyristor trong chế độ không dẫn (tắt) khi

thyristor tiếp theo được chuyển sang trạng thái bật hoặc dòng điện bắt đầu đổi chiều

Điện áp trung bình trên tải có thể tính theo biểu thức:

3

m

D cos( t ) d ( t ) 3

2

V V

)3/sin(

Dạng dòng điện xoay chiều của chỉnh lưu nửa sóng được thể hiện trên hình

2-27 Hình vẽ dạng sóng này với giả định dòng điện một chiều không đổi (điện cảm LD

vô cùng lớn) Mặc dù có sự chuyển mạch liên tiếp, mỗi van công suất dẫn điện trong khoảng 120o trong chu kỳ Dòng điện cuộn thứ cấp (và dòng điện thyristor) là dòng

một chiều, chính là điều không mong muốn, làm cho sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha nửa

sóng không được áp dụng trong các thiết bị công suất lớn

Dòng điện cuộn sơ cấp có dạng sóng tương tự thứ cấp Sự biến dạng lớn của dạng sóng dòng điện sơ cấp cần phải được lọc để giảm sự ảnh hưởng của các thành phần hài Dạng sóng trình bày trên hình 3-39 là thông tin hữu ích khi thiết kế máy biến

áp

Hình 3-39: Dạng sóng dòng điện nguồn xoay chiều (sơ cấp iA, iB, iC và thứ cấp ia, ib, ic)

Từ các biểu thức:

D D D

tc tc tc

sc sc sc

I.VP

I.V.3S

I.V.3S

sc D

tc D

V.a.17,1V

V17,1V

3I.aI

3

II

D sc

D tc

D tc

P.21,1S

P.48,1S





Biểu thức 3-37 cho thấy công suất của máy biến áp phía sơ cấp phải tăng 21%

và phía thứ cấp phải tăng 48% so với công suất tải Vì lý do này, máy biến áp phải được thiết kế riêng biệt cho loại chỉnh lưu này Đối với máy biến áp thông thường, công suất máy phải vượt công suất tải 35% Hệ số tăng công suất của cuộn thứ cấp lớn hơn so với cuộn sơ cấp có nguyên nhân từ dòng điện một chiều trong nó Bên cạnh đó,

hệ số tăng công suất máy biến áp còn do các thành phần hài bậc cao không tạo ra công suất tác dụng Sự bão hòa từ trong lõi thép và thành phần một chiều trong cuộn thứ cấp làm cho lõi thép phải có kích thước lớn hơn

3.2.1.2 Chỉnh lưu ba pha kép 6 – xung

Sơ đồ chỉnh lưu này được vẽ trong hình 3-40, cuộn thứ cấp có dạng hệ thống 6 pha và kết quả là chỉnh lưu tia 6 – xung (kết nối điểm giữa) Mặc dù có sự chuyển mạch liên tiếp nhưng mỗi van công suất chỉ dẫn với thời gian 60o trong một chu kỳ Điện áp một chiều cao hơn trường hợp chỉnh lưu nửa sóng

Hình 3-40: Chỉnh lưu 6 - xung

Điện áp trung bình trên tải có thể tính theo biểu thức:

m

D cos( t ) d ( t ) 3

/

)6/sin(

V

Điện áp một chiều cũng gợn sóng ít hơn so với trường hợp chỉnh lưu nửa sóng

do thành phần hài bậc 3 vốn có biên độ lớn Giá trị điện cảm làm mịn dạng sóng LDcũng nhỏ hơn trường hợp chỉnh lưu nửa sóng

Hình 3-41: Chỉnh lưu 6 – xung: Dạng sóng dòng điện nguồn xoay chiều Dòng điện xoay chiều nguồn của chỉnh lưu 6-pha có dạng sóng trên hình 3-41 Dòng điện cuộn thứ cấp có dạng một chiều, tuy nhiên sự biến đổi chiều thiên từ thông trong mạch từ máy biến áp được bù từ cấu trúc sao kép Như ta đã nhận thấy, luôn chỉ

có một van công suất dẫn trong khi các van khác không thể song song cùng dẫn Dòng điện pha cuộn sơ cấp nối tam giác có dạng đối xứng dẫn trong khoảng 60o

Dòng điện dây kết nối máy biến áp với nguồn, có dạng trong hình 2-30, cũng đối xứng nhưng dẫn trong 120o

Định mức tỷ lệ công suất toàn phần máy biến áp so với công suất chỉnh lưu cũng thực hiện tương tự như với trường hợp chỉnh lưu nửa sóng:

D sc

D tc

P.28,1S

P.81,1S



