CHƯƠNG 2. CHỈNH LƯU 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
5.2. NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tùy ý.
Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất các van động lực như :IGBT, GTO càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn.
Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không.
5.2.1. Cấu tạo
Nghịch lưu điện áp một pha có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau. Sau đây sẽ sử dụng sơ đồ nghịch lưu cầu một pha là sơ đồ phổ biến nhất để xét nguyên tắc tạo ra điện áp xoay chiều một pha trên tải khi nguồn cung cấp cho BBĐ là nguồn áp một chiều. Trên hình 5.1 là sơ đồ mạch lực của bộ nghịch lưu.
Hình 5.1 Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha dạng cầu Trong sơ đồ hình 5.1:
- Ud là nguồn điện áp một chiều cung cấp cho BBĐ, trong công nghiệp thường là điện áp ra của sơ đồ chỉnh lưu.
115
- Tụ C0có tác dụng làm cho nguồn cung cấp có tính chất nguồn điện áp. Tụ C0 đảm bảo cho điện áp trên 2 cực nguồn không thay đổi và đảm bảo tính dẫn dòng hai chiều của nguồn.
- T T T T1, , ,2 3 4 là các thyristor chính dùng để thực hiện quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều.
- D D11, 22,D33,D44là các điốt ngược, chúng được mắc thành một sơ đồ cầu và được gọi là cầu điốt ngược, nó cho phép phụ tải có tính cảm kháng trả lại năng lượng phản kháng cho nguồn.
- Zt là phụ tải xoay chiều của BBĐ, trong trường hợp tổng quát.
Zt có thể có đầy đủ các phần tử như: điện trở Rt, điện cảm Lt, điện dung Ct và sức phản điện động Et. Thông thường chỉ xét loại phụ tải điện trở-điện cảm (Rt- Lt) là loại tải xoay chiều hay gặp nhất, vì ngay cả động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng có thể thay thế tương đương bằng dạng tải này.
5.2.2. Nguyên lý làm việc 5.2.2.1. Nguyên tắc khống chế
Hình 5.2 Đồ thị điện áp ra của sơ đồ 1.
Để tạo ra điện áp xoay chiều trên tải Zt phải thực hiện khống các thyristor chính của BBĐ làm việc theo qui luật như sau:
- Trong các khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ dương của điện áp trên tải, thực hiện khống chế mở hai van T T1, 2 và khóa hai van T T3, 4. Khi đó điện áp trên tải (cũng là điện áp giữa 2 điểm A và B ) sẽ là :Ut =Ud
- Trong các khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ âm của điện áp trên tải, thực hiện khống chế mở hai van T T3, 4và khóa hai van T T1, 2. Khi đó điện áp trên tải sẽ là Ut =Ud
116
Với việc khống chế sự làm việc của các van theo quy luật như trên và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp ra yêu cầu, kết quả nhận được điện áp trên tải là điện áp xoay chiều có dạng hình chữ nhật (còn gọi là dạng sin chữ nhật). Đồ thị điện áp trên tải khi cho các van làm việc theo qui luật trên được minh họa trên hình 5.2.
5.2.2.2. Nguyên lý làm việc của sơ đồ khi có xét đến các diode ngược với tải Rt
- Lt
Giả thiết là sơ đồ đã làm việc ở chế độ xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (thời điểm mốc bắt đầu xét t = 0 là thời điểm phát xung điều khiển đến mở 2 van T1 và T2).
Như vậy lân cận trước t = 0, trong sơ đồ đang có 2 van là T3 và T4 đang dẫn dòng, dòng điện trong sơ đồ khép kín theo mạch: (+Ud) -T3- Zt- T4- (−Ud), do đó điện áp trên tải Ut = −Ud, còn dòng tải mang giá trị âm.
Tại t = 0, khống chế khóa 2 van T T3, 4 (nhờ thiết bị chuyển mạch hay còn gọi là mạch chuyển đổi) và truyền tín hiệu điều khiển đến mở T1 và T2. Hai van T T3, 4 khóa lại nhưng do tải có điện cảm Lt nên dòng qua tải không thể đổi chiều ngay, tức là dòng tải chưa khép qua T T1, 2. Khi hai van T T3, 4 khóa lại làm cho dòng tải có xu hướng giảm và đổi chiều, trong Lt xuất hiện s.đ.đ. tự cảm chống lại quá trình này và tiếp tục duy trì dòng tải theo chiều cũ một khoảng thời gian nữa, lúc này dòng tải được khép kín theo mạch:Zt-D11-Ud-D22-Zt. Như vậy tuy dòng tải chưa đổi chiều nhưng điện áp trên tải đã đổi chiều (Ut =Ud), còn dòng qua nguồn lúc này ngược chiều với điện áp nguồn, tức là trong giai đoạn này nguồn một chiều thu công suất tác dụng. Về mặt năng lượng thì ở giai đoạn này năng lượng tích luỹ trong điện cảm phụ tải Lt ở giai đoạn T T3, 4 dẫn dòng (cũng được gọi là năng lượng phản kháng) được giải phóng ra và chuyển trả cho nguồn cung cấp một chiều.
Khi toàn bộ năng lượng tích luỹ trong Lt ở giai đoạn T T3, 4 làm việc được giải phóng hết, dòng tải bằng không và bắt đầu đổi chiều (tại t= t1) và sẽ khép mạch qua T1 và T2. Vậy giai đoạn từ t= t1 t= thì T1 và T2 làm việc, dòng tải khép kín theo mạch: (+Ud) -T1 - Zt-T2- (−Ud), điện áp trên tải Ut =Ud.
117
Tại t= , khống chế khóa T T1, 2và mở T T3, 4. Cũng tương tự như tại t =0, sau khi khóa T1 và T2, s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Lt sẽ làm cho dòng tải tiếp tục được duy trì theo chiều cũ (tức là it vẫn dương) và khép kín theo mạch:Zt-D33-Ud -D44-Zt còn điện áp tải đổi chiều: Ut = −Ud. Đến t= t2 =t1+, dòng tải giảm về bằng không và bắt đầu đổi chiều và sẽ khép theo mạch: (+Ud) - T3- Zt- T4- (
Ud
− ), trong giai đoạn này Ut = −Ud.
Đến t=2 , khống chế khóa T T3, 4và mở T T1, 2, sự làm việc của sơ đồ lặp lại như từ t = 0.
Để tính chọn van cần tìm biểu thức dòng tải it
Dòng qua tải Rt-Lt
Từ nguyên lý hoạt động vừa nêu có thể thấy, trong nửa chu kỳ từ t=0 đến ,
t= điện áp trên tải Ut =Ud, còn nửa chu kỳ tiếp sau thì Ut = −Ud. Do tính chất đối xứng của 2 nửa chu kỳ nên chỉ cần xác định biểu thức dòng tải của một nửa chu kỳ là đủ. Xét cho giai đoạn t=0 đến t= , phương trình vi phân mô tả quan hệ dòng áp của sơ đồ trong giai đoạn này là :
t t t t d
t
R i L di U
+ d = (5.1) Biến đổi (5.1) sang dạng toán tử Laplace, nhận được :
t t( ) t t( ) t t(0) Ud
R I s sL I s L i
+ − = s (5.2) Trong đó: I st( ) là ảnh Laplace của it, còn it( )0 là giá trị dòng tải tại t =0, khi BBĐ đã làm việc ở chế độ xác lập, với tính đối xứng của hai nửa chu kỳ điện áp và dòng điện trên tải ta suy ra it( )0 cũng bằng giá trị it tại t=2 , it( )0 bằng nhưng ngược dấu với dòng tải tại t =, ký hiệu giá trị dòng tải tại t= là Im thì:
(0) I
t m
i = − .
Đặt Rt/Lt = a, giải phương trình (5.2) được kết quả
( )
( ) ( )
d m
t
t
aU I
I s = sR a s − a s
+ + (5.3) Biến đổi ngược Laplace (5.3), đưa về dạng hàm gốc, được:
118
t d (1 at) m at
t
i U e I e
R
− −
= − − (5.4) Dựa vào tính chất của dòng và áp đầu ra trong chế độ xác lập, theo biểu thức (5.4) có thể xác định được Im khi cho t = 0,5T = / (T là chu kỳ điện áp ra, f =1/T là tần số điện áp ra =2 f là tần số góc của điện áp ra):
0,5 0,5
1 1
aT d
m aT
t
U e
I R e
−
−
= −
+ (5.5) Thay (5.5) vào (5.4) và biến đổi, cuối cùng nhận được:
0,5 0,5
1 2
1
aT at
d
t aT
t
U e e
I R e
−
−
− −
=
+ (5.6) Dạng đồ thị dòng điện và điện áp trên tải được biểu diễn trên hình 5.3. Giá trị t1 có thể xác định bằng cách thay t = t1 vào biểu thức dòng it (5.4) và cho vế trái bằng không:
1 t ln d t m
t d
L U R I
t R U
= + (5.7)
Hình 5.3 Đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra của sơ đồ hình 5.1 với tải Rt −Lt Từ đồ thị có thể rút ra: Các thyristor trong thời gian một chu kỳ của điện áp ra (T) dẫn dòng một khoảng bằng (0,5T – t1), còn các diode ngược thì dẫn dòng một khoảng đúng bằng T1. Xuất phát từ nhận xét này có thể xác định được giá trị trung bình của dòng qua các van để phục vụ cho việc chọn và kiểm tra các van.
- Dòng trung bình qua thyristor:
0,5 0,5 0,5
0,5
1 1
1 1 1 2
1
T T at at
d
Ttb t at
t
t t
U e e
I i dt dt
T T R e
−
−
− −
= =
+ (5.8)
119
- Dòng trung bình qua diode ngược:
1 1 0,5
0,5
0 0
1 1 1 2
1
t t at at
d
Dtb t at
t
U e e
I i dt dt
T T R e
−
−
− −
= − =
+ (5.9)