Nguyên lý làm việc của nghịch lưu áp ba pha với PWM

CHƯƠNG 2. CHỈNH LƯU 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG

5.5. ĐIỀU CHỈNH VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ NGHỊCH LƯU

5.3.2.1. Nguyên lý làm việc của nghịch lưu áp ba pha với PWM

Đồ thị điện áp và dòng điện trong nghịch lưu ba pha được mô tả trên hình 5.17 (góc = 30 o) và hình 5.20 (góc = 60 o). Đồ thị được xây dựng với fs/F = 18.

Trong đó fs là tần số chuyển mạch. F là tần số ra của nghịch lưu và giả thiết = 1.

Quá trình hình thành điện áp pha như sau: Xét thời điểm t4 – t5 = TS (TS là chu kỳ của tần số chuyển mạch) (hình 5.17). Khi t = t4, cả ba van T1, T3, T5 được mở ra (dẫn điện).

Lúc này phụ tải của ba pha được nối vào cùng một điểm (+), do đó điện áp của ba pha UA = UB = UC = 0. Giả thiết dòng pha B và C có chiều dương (đi từ trái qua phải) và dòng pha A (iA) có chiều âm . Do đó van T3, T5 và D1 sẽ dẫn điện (sơ đồ trên hình 5.18a). Sau đó theo luật điều biến T3 sẽ bị khóa lại, dòng pha B (iB) sẽ khép mạch qua D6. Sơ đồ thay thế cho trường hợp này tướng ứng với hình 5.18b.

Từ sơ đồ thay thế ta có:

UA =UC =E/ 3;UB =2 / 3E

Tiếp theo van T4 mở, sơ đồ thay thế có dạng như trên hình 5.18c, và:

UA =2 / 3;E UB =UC = −E/ 3

Cuối cùng van T5 khóa dòng pha C (iC) sẽ khép mạch qua điôt D2. Lúc này cả ba pha lại bị ngắn mạch tại một điểm (-) và : UA =UB =UC =0(hình 5.18d).

Như vậy trong mỗi chu kỳ chuyển mạch (TS) điện áp pha bao giờ cũng bằng 0 ở đầu và cuối mỗi chu kỳ. (hình 5.19)

137

Hình 5.17 Luật điều chế trong nghịch lưu áp ba pha.

Hình 5.18 Sơ đồ tương đương với các trạng thái đóng mở van trong một chu kỳ chuyển mạch.

Để đánh giá quá trình làm việc cũng như tính toán nghịch lưu người ta thường giả thiết:

138

1) Chu kỳ tần số chuyển mạch nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ điện áp nghịch lưu:

TS << TNL

2) Dòng trong các pha có dạng sin (iA, iB, iC).

Những giả thiết này đảm bảo cho các biểu thức tính toán trở nên đơn giản và mang tính thực tế.

Dòng tiêu thụ của nghịch lưu từ nguồn bằng một nửa tổng dòng của các pha:

iNL =(iA+ +iB iC)/ 2 (5.19)

Hay idf =(iAf +iBf +iCf )/ 2

(5.20)

idf – dòng tiêu thụ trung bình của nghịch lưu tính theo tần số chuyển mạch;

IAf, IBf, ICf, - dòng tiêu thụ của các pha;

I iAdf, iBdf, iCdf – dòng tiêu thụ trung bình của các pha tính theo tần số chuyển mạch:

( )

( ) ( )

( ) ( )

. sin sin

. sin 2 / 3 sin 2 / 3

. sin 2 / 3 sin 2 / 3

Adf m

Bdf m

Cdf m

i I t t

i I t t

i I t t

 

   

   

=  − 

=  − −  −

=  − +  +

(5.21)

Thay (5.19) vào (5.18) ta có dòng tiêu thụ của nghịch lưu là:

Idf =3 .Imcos/ 4 (5.22)

Im – giá trị biên độ của dòng pha;

- góc lệch pha giữa điện áp bậc 1 của nghịch lưu với dòng tải;

Ω - tần số góc của nghịch lưu.

Các dòng idf, iAdf, iBdf, iCdf được mô tả trên hình 5.20 ứng với góc lệch pha giữa dòng tải và điện áp (sóng điều hòa bậc 1) là 60o .

139

Hình 5.19 Điện áp ra trong một chu kỳ chuyển mạch.

Công thức (5.20) cho thấy dóng idf > 0. Điều đó có nghĩa là giá trị trung bình trong chu kỳ tần số mang luôn có giá trị dương, tức là nghịch lưu với PWM luôn đảm bảo bù được công suất phản kháng bởi tần số mang.

Tuy nhiên giá trị tức thời vẫn có lúc mang giá trị âm vì phụ tải của nghịch lưu là động cơ điện ba pha (hình 5.20)

140

Hình 5.20 Điện áp ra của nghịch lưu với PWM uA, uB,uC và các sóng điều hòa bậc1: uA1, uB1,uC1. Dòng tải qua các pha iA,iB,iC. Dòng tiêu thụ trung bình của các

pha; iAd,iBd,iCd. Dòng tiêu thụ trng bình tính theo tần số chuyển mạch iAdf,iBdf,iCdf. Dòng tiêu thụ của nghịch lưu; id và dòng tiêu thụ trung bình của nghịch lưu idf.

Hình 5.20 mô tả dạng điện áp và dòng điện nghịch lưu ba pha với PWM, ứng với góc  =60o. Vì dòng tức thời của nghịch lưu đổi hướng nên đầu vào của nó cần có tự mắc song song với nguồn để tiếp thu nguồn công suất phản kháng này

141

(nguồn cấp cho nghịch lưu thường được lấy từ chỉnh lưu nguồn áp, nên nguồn này chỉ cho dòng đi theo một chiều). Nếu không có tụ ở đầu vào của nghịch lưu sẽ xuất hiện hiện tượng quá áp. Tụ điện sẽ nạp khi dòng đi từ nghịch lưu trở về nguồn và sẽ phóng khi dòng đi từ nguồn đến nghịch lưu.

Tụ C được tính như sau:

t t NL t

C

i dt

C U

+

= 



(5.23)

Δt – khoảng thời gian mà dòng đi từ nghịch lưu trở về nguồn.

ΔUC – giá trị dao động điện áp cho phép ở đầu nguồn (nguồn càng gần với nguồn áp thì ΔUC càng nhỏ).

iNL – dòng đi vào nghịch lưu.

Vì giá trị trung bình của dòng nghịch lưu mang dấu dương (công thức 5.18) nên tụ điện sẽ không tích lũy năng lượng mà sẽ phóng hay nạp tùy hướng của dòng nghịch lưu (iNL). Do đó để tính giá trị tụ C chỉ cần chọn một khoảng thời gian là lượng điện tích trữ trong tụ C là lớn nhất. Khoảng thời gian này được xác định bằng cách giải các phương trình từ (5.14) đến (5.18) để tìm giá trị lớn nhất của dòng nghịch lưu (iNL).

sin sin 2 3 . sin

2 3 2 6

S

S

t T  t  t   T  t  

 =   −  − =  +  (5.24)

Lượng điện tích nạp cho tụ C là:

( )

sin 2

3

sin 2 . . sin . .

. 3

3 . sin 2 cos

4 6

t t m t m

m S

Q I t

I t f t f t

f

I T t

 

   



   

+  

= −  − − =

 

= −  − − +    

  

   − +  − 



(5.25)

Tìm cực trị của biểu thức (5.25) ta được:

142

2 max

3 30

. sin

2 m S 2

Q = I T − (xét trong khoảng

6 t 6

 

−    ) (5.26)

Thay (5.26) vào (5.23) ta nhận được:

3 . sin2 30

2 2

m

s C

C I

f U

 −

= 

(5.27)

Biểu thức (5.27) cho thấy:

• Giá trị của tụ C không phụ thuộc vào tần số ra của nghịch lưu (f). Như vậy nghịch lưu với PWM có thể làm việc với dải tần số khá rộng, nhất là ở vùng tần số thấp.

• Giá trị của tụ C tỷ lệ nghịch với tần số mang fs. Do tần số mang có giá trị khá lớn nên giá trị của tụ trong nghịch lưu với PWM là tương đối nhỏ so với nghịch lưu chuyển mạch với các góc α nhất định.

143

CHƯƠNG 6

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI 6.1. KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI