Chương5 NGHỊCH LƯU BIẾN TẦN Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha theo sơ đồ khối chung Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu độc lập. Trong đó nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha và thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện.
Trang 1Chương5 NGHỊCH LƯU - BIẾN TẦN
5.1 Nghịch lưu
5.1.1 Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu
a> Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện
áp xoay chiều một pha hoặc ba pha theo sơ đồ khối chung như sau:
Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu
độc lập Trong đó nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc
pha và thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện
Nghịch lưu độc lập lại được chia ra nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn dòng hay cộng hưởng vv Trong đó nghịch lưu độc lập nguồn áp có đặc
điểm là bộ tích trữ năng lượng trung gian thường là tụ điện Với bộ nghịch lưu
áp thì luôn định ra một điện áp có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha
không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, điện áp thường có dạng hình chữ nhật còn dòng điện phụ thuộc vào tải có thể là hình
chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ Còn nghịch lưu độc lập
nguồn dòng năng lượng dự trữ dưới dạng từ trường và nó luôn định ra một
dòng điện có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, dòng điện thường có dạng hình
Trang 2chữ nhật còn điện áp phụ thuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ
5.1.2 Mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha và ba pha
5.1.2.1 Mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha
a> Sơ đồ nguyên lý
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha sơ đồ cầu H b> Nguyên lý làm việc
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Thyritstor T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3 ,T4 một góc 180 độ điện Điện cảm đầu
vào nghịch lưu lớn (Ld = ∞), do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu
đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện
i = id = Id Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện
với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ
giảm về không Do i = ic = it =Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và
sau đó dòng qua tải tăng lên Sau một nửa chu kỳ
(t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo ra quá
trình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-) Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm choT1 và T2 bị khoá lại Quá trình chuyển mạch
gần như tức thời Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực
(+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái Dòng nghịch lưu i = id = -Id (đã đổi dấu)
Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khoá
Trang 3Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các
Thyritstor Tại thời điểm t1 , khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi
điện áp ngược của tụ C đặt vào Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược
(t1-t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tính điều khiển của
van và t’1- t1 = tk ≥ toff là thời gian khoá của Thyritstor hay chính là thời gian
phục hồi tính điều khiển
β = ω.t k là góc khoá của nghịch lưu
c> Dạng sóng điện áp, dòng điện trong mạch
Hình 5.4: Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu nguồn dòng
một pha dùng sơ đồ cầu H
Trang 45.1.2.2 Mạch nghịch lưu nguồn dòng ba pha dải điều chỉnh hẹp
a> Sơ đồ nguyên lý
+
+
E
-Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
dải điều chỉnh hẹp
b> Nguyên lý làm việc
Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì công suất của
nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp Nghịch lưu dòng ba pha sử dụng thyristor Do đó có thể khoá được các thyristor cần phải có tụ
chuyển mạch (c1, c3, c5) vì mạch nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là
nguồn dòng vì vậy coi như L d = ∞
Để đảm bảo khoá được các thyristor và tạo nên hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện tuân theo đồ thị trên hình vẽ Qua đồ thị ta thấy rằng
mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ =120 độ điện Quá trình
chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm
Xét khoảng thời gian 0 ÷ t 1 : lúc này T1 và T6 dẫn Dòng sẽ qua T1, Za, Zb
và T6 Đồng thời sẽ có dòng nạp cho tụ C1 qua T1- C1 – T6 Khi tụ C1 được nạp đầy thì dòng qua tụ bằng không Tụ C1 được nạp với dấu điện áp ( như
hình 6) sẽ chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khoá T1 Tại thời điểm t = t2,
khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại Tương
tự như vậy khi T2 và T3 dẫn ( t ÷ t ) thì tụ C3 được nạp với dấu hiệu điện
Trang 5Đối với nhóm catôt chung T2, T4, T6 quá trình chuyển mạch cùng diễn
ra như vậy Ví dụ tụ C5 được nạp trong khoảng t1 t2( khi T1 và T2 dẫn) với dấu đảm bảo để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3
Theo phân tích ở trên ta đã thấy Do tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên gữa hai tụ luôn luôn có sự trao đổi năng lượng với nhau nên gữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng Để làm giảm ảnh hưởng của tải đến quá trình nạp tụ C, ta sử dụng điôt ngăn cách
) , , ,
,
,
(D1 D2 D3 D4 D5 D6 Việc sử dụng các điôt này đòi hỏi phải chia tụ chuyển mạch làm hai nhóm: Nhóm C1,C3,C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1,T3,T5: còn nhóm C2,C4,C6 dùng để chuyển mạch cho các van
Trang 6c>Dạng sóng dòng điện ba pha
Hình 5.6: Dạng sóng dòng điện qua các pha mạch nghịch lưu nguồn dòng
3 pha dải điều chỉnh hẹp
Trang 75.1.2.3 Mạch chỉnh lưu nguồn dòng ba pha dải điều chỉnh rộng dùng thyritstor
a> Sơ đồ nguyên lý
Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
dải điều chỉnh hẹp chuyển mạch tập chung
b>Giới thiệu sơ đồ
- Ud kết hợp với Ld có điện cảm đủ lớn để tạo ra nguồn dòng điện Id
- Cầu thyritstor T1-T6 đóng vai trò nghịch lưu nguồn dòng 1 pha thành nguồn dòng xoay chiều 3 pha có chế độ dẫn 120o
+ Nếu Tn3 và Tn4 mở thì Un > 0(+ phía phải và – phía trái)
+Un>0: Nếu TP1 và Tp7 mở thì sẽ khóa T1
Nếu TP3 và Tp7 mở thì sẽ khóa T3
Nếu TP5 và Tp7 mở thì sẽ khóa T5
Trang 8+Un < 0: Nếu TP4 và Tp8 mở thì sẽ khóa T4
Nếu TP6 và Tp8 mở thì sẽ khóa T6
Nếu TP2 và Tp8 mở thì sẽ khóa T2
* Giản đồ trạng thái pha giống với sơ đồ dùng IGBT
b> Nguyên lý làm việc (SV tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên) 5.1.3 Mạch nghịch lưu nguồn áp một pha, ba pha
5.1.3.1 Mạch nghịch lưu nguồn áp một pha
a> Sơ đồ nguyên lý
T3R
Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha
Trong đó: - T1, T2, T3,T4 : Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải
- Zt: Là phụ tải gồm L mắc nối tiếp với R
- D1,D2, D3, D4: Là các diôt dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi
- is: Là dòng điện cấp từ nguồn cho bộ biến đổi
Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor dẫn dòng)
Khi is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các diôt dẫn dòng)
Trang 9- C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và dự ttrữ năng lượng dưới dạng điện trường
b> Nguyên lý làm việc
(xét với tải R+L)
Giả sử trước thời điểm t = 0 khi đó T3 và T4
đang cho dòng chạy qua tải (dòng tải đi từ B
A) Khi t = 0 cho xung mở T1 và T2, T3 và
T4 bị khoá lại, dòng tải iS = -Im không thể
đảo chiều một cách đột ngột do tải có tính
chất cảm Do vậy dòng tải tiếp tục chảy theo
chiều cũ nhưng theo mạch D1 E
D2tải và suy giảm dần về không, hai
van D1 và D2 dẫn dòng khiến T1 và T2 chưa
kịp mở đã bị khoá lại Đến thời điểm t = t1, it
= 0, D1 và D2 bị khoá lại, T1 và T2 mở dòng
tải i > 0 tăng dần và chảy theo chiều từ
AB Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn
hoàn năng lượng
Khi t = T/2 ( tại thời điểm t2) cho xung
mở T3 và T4 đồng thời ngắt xung vào cực
điều khiển T1 và T2 nên T1; T2 bị khoá lại Lúc
này dòng tải chảy qua D3 và D4 khiến cho T3
và T4 chưa kịp mở đã bị khoá lại Khi t = t3,
it = 0, lúc này van T3 và T4 sẽ mở cho dòng
điện đi qua với it < 0 chảy theo chiều từ
BA Dòng tải it biến thiên theo quy luật
hàm mũ giữa hai giá trị Im và -Im
Trang 10d> Phân tích các biểu thức dòng điện và điện áp tải
- Điện áp trên tải là các chuỗi xung vuông không phụ thuộc vào đặc tính
tải nên ta dễ dàng xác định được giá trị hiệu dụng điện áp tải
E dt E T U
T
0
2 1
1
- Với tải R+L dòng tải có dạng hàm mũ, do vậy muốn xác định được biểu
thức tính dòng điện tải ta có thể vận dụng phương pháp toán tử hoặc phương
pháp sóng điều hòa cơ bản
* Phương pháp toán tử
Khi van T1 và T2 dẫn cho dòng điện qua tải ta có phương trình vi phân
L
E i L
R dt di
E Ri dt Ldi
)
( ).
(
)
( ) (
.
)
0 (
)
(
) ( )
(
) ( )
(
a P
I a P P R
E a a
P
I a a P P L
E a a
P
I a P P L
E I
P L
E aI
I PI
P L
E aI
i
PI
m m
m p
P m P
P P
R
E
* Phương pháp sóng điều hòa cơ bản
- Nhận thấy điện áp trên tải là các chuỗi xung chữ nhật đối xứng, nó là một
hàm lẻ nên chu kỳ khai triển Fourier là các số hạng sóng sin:
4
k t
k
t k E
Nếu chỉ lấy sóng điều hòa cơ bản (bậc 1 hay k=1) ta có
Trang 11Lúc này ta coi dạng sóng điện áp có dạng sin vuông nên dòng điện tải được
xác định
) sin(
) (
.
4 2
E Z
U
t
t t
: Góc trễ pha giữa dòng điện và điện áp tải
Sau khi xác định được biểu thức dòng điện tải ta có thể dễ dàng xác định được giá trị trung bình, hiệu dụng của dòng tải, dòng tiêu thụ từ nguồn cấp hay
dòng qua các van công suất
5.1.3.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha
a> Sơ đồ nguyên lý
* Giả thiết khi phân tích sơ đồ
- Để thuận tiện khi mô tả nguyên lý ta giả thiết khi nghiên cứu :
+ Van lý tưởng khi dẫn điện áp trên van bằng không; khi khóa dòng rò bằng không
+ Nguồn cung cấp có nôi trở rất nhỏ và có khả năng dẫn điện theo hai chiều
+ Các van động lực từ T1 đến T6 làm việc với độ dẫn điện là 180 độ điện
Trang 12+ Tải ba pha đối xứng
* Giới thiệu khái quát sơ đồ
- Các đioe từ D1 đến D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn Tụ điện C
đảm bảo là nguồn áp và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải
- Các van phải dẫn tuân theo luật như trên giản đồ dòng điện, điện áp Như
vậy van T1 và T4 dẫn lệch nhau một góc 1800
để tạo nên pha A
- Trong khoảng 0 t1, khi đó T1; T6; T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như
hình vẽ khi đó ta thấy UZA = E/3
ZB
+
E
khoảng t1 t2, khi đó T1; T6; T2 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình vẽ
khi đó ta thấy UZA = 2E/3
ZC ZA
ZB
-E
- Trong khoảng t2 t3, khi đó T1; T2; T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như
hình vẽ khi đó ta thấy UZA = E/3
Trang 13+
E
-Phân tích như trên ta suy ra điện áp trên pha A có dậng như trên hình vẽ dạng sóng dòng điện, điện áp ttrong mạch
c> Khoảng dẫn các van và dạng sóng điện áp trên tải
t 0
λ T1
T4
T1
t 0
t 0
t 0
T3
T6
T3 T6
T5 T2
Trang 14d> Các biểu thức trong mạch
- Trị hiệu dụng điện áp pha được xác định
E dt
E dt
E dt
E T U
3
2 3
3
2
Với giả thiết trên ta coi dòng điện cũng có dạng gần sin như vậy dòng điện
pha tải có thể được tính đơn giản theo biểu thức:
2 2 3
sin 2
X R
t E Z
Với phương pháp trên kết quả tính toán cho sai số khoảng 10 đến 20%, kết
quả này đôi khi vẫn chấp nhận vì hệ số dự chữa khi chọn van bán dẫn công
suất thường rất lớn Tuy nhiên trong thực tế để chính xác hơn ta có thể phân
tích dòng điện theo 6 bậc điện áp Ứng với mỗi bậc là một phương trình vi
phân sau đó ta sẽ lấy giá trị cuối của bậc này làm sơ kiện của bậc kế tiếp: Cụ
thể các bậc được chia theo các khoảng như sau:
- Trong khoảng 0 < t < <T/6 lấy sơ kiện khi t = 0 và t = T/6
- Trong khoảng T/6 < t < T/3 lấy sơ kiện khi t = 2T/6
- Trong khoảng T/3 < t < T/2 lấy sơ kiện khi t = T/2
- Trong khoảng T/2 < t < 2T/3 lấy sơ kiện khi t = 2T/3
- Trong khoảng 2T/3 < t < 5T/6 lấy sơ kiện khi t = 5T/6
- Trong khoảng 5T/6 < t < T lấy sơ kiện khi t = T
Từ các giá trị dòng điện thu được trong các đoạn ta cũng xác định được giá trị cực đại, cực tiều, giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình của dòng qua tải hoặc qua van Tuy nhiên phương pháp này mất rất nhiều thời gian và khá phức tạp khi phân tích nên chỉ dùng khi cần độ chính xác cao trong tính toán
Trang 155.2 Biến tần
5.2.1 Khái niệm và phân loại biến tần
Thiết bị biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện từ tần số này sang tần số khác Tần số được biến đổi thông thường là một tần số công nghiệp
f1 = 50Hz, tần số đã được biến đổi là tần số f2 và có giá trị phụ thuộc vào thiết
bị hoặc yêu cầu
Thiết bị biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dùng để biến đổi tốc độ quay của động cơ đồng bộ 3 pha hoặc động cơ điện không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn Ưu điểm: gọn, nhẹ, đạt hiệu quả cao và tốc độ điều chỉnh gần như là vô cấp
Có hai loại biến tần: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
5.2.2 Biến tần gián tiếp
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như trên hình vẽ Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu (CL), lọc (L), và nghịch lưu (NL) Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều, do đó nó có tên gọi là biến tần gián tiếp
+ _
+ _
U1
C
U d B
A
C
§C
Trang 16Hình 5.10: Một số sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp
Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều, chỉnh lưu có thể là không hoặc có điều chỉnh
Ngày nay đa số chỉnh lưu thường là chỉnh lưu không điều khiển, vì nếu
điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của
bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi Nói chung, chức năng biến đổi
tần số và điện áp được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển
Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điều
khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải
Ngày nay, biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều
chỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng Dễ dàng tạo ra các bộ
nguồn (dòng, áp) theo mong muốn Nghịch lưu được dùng trong biến tần
thường là các mạch cơ bản đã nêu ở phần nghịch lưu
Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì phải qua
hai lần biến đổi) Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn
Trang 175.2.3 Biến tần trực tiếp 1 pha và ba pha
Biến tần trực tiếp là biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, không thông qua khâu trung gian một chiều
Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược Các bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu, hoặc các bộ chỉnh lưu nhiều pha Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần song điều hòa bậc cao càng giảm và sơ đồ khối của một pha được thể hiện như hình vẽ dưới:
Hình 5.11:Sơ đồ khối biến tần trực tiếp một pha
Trang 18Hình 5.13: Dạng sóng dòng điện, điện áp của biến tần trực tiếp một pha
khi góc điều khiển = 0
Trường hợp này các thyristor cùng một nhóm được điều khiển theo quy luật
trong 2,5 chu kỳ của nguồn điện lưới đầu vào, để đơn giản xét trường hợp các thyritstor được mồi không có trễ ( = 0), nghĩa là cá thyritstor nhóm P coi
như chỉnh lưu diode, tạo ra nửa chu kỳ điện áp dương của điện áp đầu ra
Trong khoảng 2,5 nửa chu kỳ sau chỉ có nhóm N dẫn điện để tổng hợp thành
nửa chu kỳ âm của điện áp ra Theo dạng sóng điện áp biểu diễn trên hình chu
kỳ của điện áp ra lớn gấp 5 lần chu kỳ của nguồn điện áp vào(tần số đầu ra
bằng 1/5 tần số đầu vào) Dạng sóng này có dạng gần với sóng chữ nhật và có chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao
Để giảm thành phần sóng hài bậc cao và dạng sóng dòng điện tải tiến
tới gần sin trong các trường hợp tải có tính chất cảm người ta có thể thay đổi
góc mở các van theo quy luật hình sau:
Hình 5.14:Dạng sóng dòng điện, điện áp của biến tần trực tiếp một pha
