Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất tiếp tục cung cấp cho bạn đọc những nội dung về: nghịch lưu độc lập và biến tần; điều khiển nghịch lưu độc lập; mô phỏng kiểm nghiệm mạch thiết kế; hướng dẫn tóm tắt sử dụng phần mềm Matlab-Simulink; hướng dẫn tóm tắt sử dụng phần mềm TINA;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Chương IV
NGHICH LUU BOC LAP VA BIEN TAN
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4.1.1 Nghịch lưu độc lập
Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng dòng điện xoay chiều với tần số ra có định hoặc thay đổi (hình 4.1a)
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc, sự khác
biệt giữa hai bộ nghịch lưu này ở chỗ:
® Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biển đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng lượng điện xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải phy thugc vao điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển œ được xác định theo tần số
và pha của lưới xoay chiều đó
e Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay
đổi tuỳ ý, tức là độc tập với lưới điện Nghịch lưu độc lập được phân thành ba loại:
I NLPL điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tài là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố (hình 4.1.b) 2 NLDL dòng điện, cho phép biến nguồn đồng một chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều (hình 4.1c) 3 NLĐL cộng hưởng, có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòng dao động cộng hưởng RLUC P De fac P P P
Pe Pre Liao] NLBL “G20 feo] NLBL p70
Toy NoniCH Lu |» E TÀI Tải
f-0 bộc LẬP TT ar Vag I Tay
f= const
+ 1 c}
Hình 4.1 Nghịch lưu độc lập
Tai của NLĐL là thiết bị điện xoay chiều có thể là một pha hay ba pha, do đó NLĐL cũng
được chế tạo hai dạng NLĐL một pha và NLĐL ba pha
Van bán dẫn sử dụng trong NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu:
Trang 2Với NLĐL điện áp, van hoạt động đưới tác động của sức điện động một chiều E, điều này
tương tự như van trong bằm xung một chiều, vì vậy thích hợp phải là van điều khiển hoàn toàn:
cac loai transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTC
V6i NLDL dong dién va NLDL cong huéng, đo tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van
bán điều khiển thyristor nên chúng thường được dùng
Các vấn đề trên sẽ được làm rõ khi xem xét hoạt động của chúng
4.1.2 Biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều tần số này sang năng lượng
dòng điện xoay chiều tần số khác (hình 4.2a} P P B P, Bc Be Ac P, + P AC kí NGHỊCH t!
AC BIEN TAN —> 'AC SÌ GHỈNH LƯU a MỘT GHIẾU 96 Độc LẬP I >
U,f,m U2,f2,1"2 U,,m U2,f2,m2
a) bì
Hình 4.2 Biển tần
Theo cấu trúc biển đổi năng lượng, biển tần chia thành hai loại 4.1.2.1 Biến tần gián tiếp
Cấu trúc thông dụng của biến tần gián tiếp ở hình 4.2b, qua đây ta thấy để tạo ra nguồn
xoay chiều tần số khác với đầu vào phải tiến hành hai quá trình biến đổi năng lượng: chỉnh lưu biến năng lượng xoay chiều về một chiều, sau đó là nghịch lưu để biến đổi ngược lại Biển tần
này còn được gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều theo sơ đồ cấu trúc biến đổi năng
lượng Việc sử dụng NLĐI, làm bộ biến đổi tần số đầu ra cho phép biến tần loại này có khả năng thay đổi tần số trong phạm vi rộng và độc lập, đây là ưu điểm chủ yếu đem đến ứng dụng rất rộng rãi của nó trong thực tế hiện nay Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất không thật cao đo chính quá trình biến đổi năng lượng hai lần
Khối chỉnh lưu trong biến tần gián tiếp có thể là chỉnh lưu điều khiển hay không điều
khiển tuỳ thuộc vào loại nghịch lưu độc lập được dùng và công suất tải
A Nghịch lưu độc lập điện áp đòi hỏi nguồn một chiều có độ đập mạch nhỏ và dn định,
vì vậy thường dùng chỉnh lưu điết với khâu lọc một chiều kiểu C hoặc lọc LC (mục 1.5) và có
câu trúc như hình 4.3a, chỉnh lưu điều khiển ít dùng do độ đập mạch điện áp xấu đi nhiều (tăng
mạnh) khi điều chỉnh giảm điện áp một chiêu
e Với cầu trúc này, mạch điều khiển chỉ tác động duy nhất vào khối nghịch lưu độc lập điện áp để đâm bảo cả yêu cầu vẻ tần số và điện áp ra tải, do đó mạch điều khiển khá phức tạp Với tải công suất trung bình và lớn phải dùng chỉnh lưu cầu nhiều pha: mạ = 6; 12; để vừa giảm hệ số đập mạch và không cẩn tụ lọc lớn, vừa cải thiện đáng kể hệ số méo của dòng điện tiêu thụ từ lưới xoay chiều
© Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh và ổn định điện áp ra có thể thông qua
Trang 3lưu điột và lọc Đôi khi băm xung một chiều còn dùng để tăng điện áp (băm xung kiểu
song song, mục 3.3.2) cho trường hợp nguồn xoay chiều thấp hơn giá trị cần có
B Nghịch lưu độc lập dòng điện đòi hỏi nguồn dòng một chiều, trong khi đó sau chỉnh
lưu chỉ cho phép nhận được điện áp chứ không phải dòng, vì vậy để chuyển đổi thành nguồn dòng buộc phải thực hiện đồng thời hai biện pháp:
e Sử dụng lọc điện cảm với giá trị lớn để làm độ đập mạch dòng điện nhỏ, tương ứng dòng không đổi tức là có nguồn dòng Tuy nhiên điện cảm lọc không cho phép ổn định và điều
chỉnh dòng ra, do đó cần biện pháp thứ hai
® Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnh lưu theo các biến động tải và nguồn bằng hệ thống kín với phản hồi dòng điện để đảm bảo vừa điều chỉnh dang theo
yêu cầu công nghệ, vừa ôn định dòng chỗng các biến động nay
Như vậy biến tần dùng nghịch lưu dòng điện có cấu trúc ở hình 4.3b, lưu ý rằng trạng thái không tải với nguồn dong là cắm (trạng thái sự cố) nên biến tần này chỉ được hoạt động khi đã nối tai
C Nghịch lưu độc lập cộng hưởng, có thể hoạt động với nguồn áp hay nguôn dòng
nhưng nói chung thường sử dụng chỉnh lưu điều khiển NLĐL cộng hướng hay ứng dụng cho
thiết bị gia nhiệt tần số nên thường chỉ sử dụng loại một pha, P B, A P
Fac GHỈNH LƯU pe „Lọc be NLĐL a Loc x
| ĐIẾT E—> MỘT GHIỀU —— ĐIỆN ÁP — TẦN SỐ —>
Ủi, f4, mạ (este) U2,f2,m2
a)
t fac
Fác —, | CHÍNH LƯU foc | Lọc pe | NREL
Trang 4Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau:
« Dùng hai bộ chỉnh lưu cùng loại, đầu ra đầu ngược cực tính
© Mỗi bộ chỉnh lưu đảm nhận một dấu của điện áp ra và cho hai bộ chạy lần lượt sẽ tạo
thành điện áp hai dấu (xoay chiều) ở đầu ra
Sử dụng nguyên tắc này sẽ đạt hiệu suất cao vì không cần biến đổi năng lượng hai lần, tuy
nhiên loại này có một số nhược điểm như: tần số ra phụ thuộc tần số nguồn; điều chỉnh tần số
trơn khá khó khăn, số lượng van lớn, nếu muốn đạt chỉ tiêu chất lượng tốt như biến tần gián tiếp
thì toàn hệ thống (cä lực và điều khiển) đều phức tạp
NLĐL và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện, các hệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều, truyền tải điện năng HVDC, luyện kim, các bộ biển
đổi cho các nguồn năng lượng mới
Theo các sơ đồ cầu trúc thấy rõ khối nghịch lưu độc lập là mục tiêu chính của chương này do các khâu khác trong sơ đỗ cầu trúc đã để cập ở các chương trước,
4.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 4.2.1 Các tham số cơ bản của mạch lực
NLĐL điện áp một pha có thể dùng: sơ để cầu hình 4.5a, bán cầu hình 4.5b và sơ đồ hình
tia 4.5e, tuy nhiên dạng điện áp ra và các tham số của chúng như nhau, vì vậy sau đây chỉ xét trên cơ sở sơ đồ cầu hình 4.5a la Rt Ut Ura —> YY TH 18 D1 E p2
Hình 4.5 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện dp một pha
NLĐL cầu một pha có sơ đồ đấu van hoàn toàn giống băm xung một chiều đảo chiều với phương pháp điều khiển đối xứng : các van hoạt động theo cặp Trị, Trạ và Trạ,Trạ (mục 3.6); sự khác biệt duy nhất là hai cặp van dẫn khoảng thời gian như nhau và bằng một nửa chu kỳ của
điện áp ra Như vậy có thể coi NLĐL điện áp một pha là trường hợp riêng của BXMC điều khiển
đối xứng, đo vậy điện áp ra có dang xung chữ nhật với giá trị +E hình 4.6a Điện ấp ra này thoả
mãn các điều kiện của một điện áp xoay chiều tuần hoàn là: e Điện áp ra có hai đầu dương và âm;
e Giá trị trung bình bằng khơng;
© Sau một nửa chủ kỳ có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu: u() = - u(t + T/2);
Trang 5« Sau một chu kỳ lặp lại trạng thái: u () = uứ + T)
Tuy nhiên điện áp này không phải hình sin, ngoài thành phần cơ ban uj, i) c6 chu ky bing chu kỳ điều khiển còn có các sóng hài bậc cao, hình 4.6b là phổ sóng hài của các bậc gần cơ bản nhất, còn biểu thức chung là: 4E <h sin(2k — l}@t yoy 4.1 WO 1 2 2k -1 @) Tate, 3 , 1ỈỊ 7X Mạ Trạm, ' U or a) Zfozaeed ⁄
Hình 4.6 Đã thị làm việc của nghịch lưu độc lập điện áp một pha và phỗ sóng hài
Như vậy để có điện áp hình sin cần chọn ra, lọc ra tần số mong muốn do đó đầu ra của NLDL điện áp có bộ lọc tần số như sơ đồ cấu trúc hình 4.3a Để đánh giá dạng điện áp ra khác đi
(méo) so với hình sin mong muốn cần sử dụng các tham số sau:
1 Hệ số sóng hài bậc k, là tỉ số giữa trị số hiệu đụng sóng hài bậc k với sóng hài cơ bản; U HF, = <b = Sh Uy Un (4.2) 2 U 2 Hệ số méo bậc k (Distortion Factor k-harmonic): DF, = tủ = sử (43) 1 3 Hệ số méo (Distortion Factor): DF “> > ch? (4.4) / 1 Yk=2,3 4 Hệ số méo tổng (Total Harmonic Distortion-THD): yu U? U? U? ka + tae! THD = Vie Ve (4.5) U, U,
Ảnh hướng lớn nhất đến đạng sỉn của điện áp ra là sóng hai gần nhất với sóng cơ bản, vì vậy trong phân tích thường chú ý chủ yếu đến sóng hài bậc thấp nhất này, gọi là LOH (Lowest - Order Harmonic) Các sóng hài có biên độ nhỏ hơn 3% biên độ sóng hai co ban
Trang 6(HF¿ < 0,03) được bỏ qua không xét đến ngay cả voi LOH, lite dé coi điện áp ra là hình sin hồn
chỉnh khơng méo
Việc phân tích tính toán qui luật đòng điện chính xác có thể thực hiện, song sẽ cho các
biểu thức phức tạp như đã thấy ở BXMC đảo chiều, do đó thực tế thường đơn giản hoá, ở NLĐL,
điện áp sử dụng phương pháp “sóng hải cơ bản” Trong phương pháp này coi rằng điện áp ra chỉ
chứa một thành phần cơ bản bậc một (u¡) và do đó nó là hình sin hoàn chỉnh, nhờ vậy có thể giải mạch theo cách Giải: mạch điện hình sin quen thuộc Theo (4.1) có điện áp cơ bản với k =l:
u(t) =e sinot =1,273Esin@ = U,,, sind (4.6)
TU
Dưới tác động của điện áp nảy dòng tải cũng biến thiên hình sin với qui luật:
i,(t) =1,, sin(@t —@) = dụ: — 2" sin(8= @); trong đó z= JR} +(@L,)?, 9 = arcrg( +) (4.7) t
Dang biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực va theo phương pháp sóng hai co bản trình bày trên hình 4.6c, qua đó có thể thấy điểm dòng điện thực qua điểm không cũng gần với trường hợp khi coi dòng điện là hình sin Từ đây dễ dang xác định được dòng trung bình qua các van, lưu ý rằng các quá trình vật lý xây ra tương tự như đã xem xét ở băm xung một chiều đảo chiều (mục 3.6.2), đo đó các transistor dẫn dòng như nhau và các điôt cũng vậy:
a,
Iạ=-L fan sin(@— 9)d0 = Ít (1~eos@) ; 2m ộ 2n (4.8) ly =if1 sin(0 —g)dÐ =2-(1 "an &™ 2n + cos0)
Quá trình năng lượng cho thấy:
« Khi transistor dẫn nguồn E cấp năng lượng ra tai
© Khi điết dẫn nguồn E nhận năng lượng từ điện cảm tải trả về
De đó giá trị trung bình dòng một chiều từ nguồn có thể tính từ dòng, trung bình qua các
van Iq, Ip với lưu ý trong một chu kỳ có hai lần dẫn của nhóm van:
l¿ =2(lyy —lp)= ae he (1+c0s9)-2 mn £059)]= =U cos (4.9)
Vậy công suất tiêu thụ từ nguồn dua ra tai: Py= (4.10)
Còn công suất tải theo sóng hài cơ bản: — P,=U„Í„cos@= UI, cose (4.11) Can thay rằng cũng có thể dùng phương pháp tuyến tính hoá dạng dòng điện như đã dùng
khi phân tích băm xung một chiều, song để làm điều đó buộc phải tính được điểm qua không của đồng và điểm Imax theo biểu thức phức tạp hơn sau đây:
Trang 7Giá trị cực đại của dòng tải: Ine = ee (4.12) tiya Thời điểm dong tai qua khơng: tụ =tÍn— 2 T (4.13) l+e 7 Dong trung binh qua cac van: 1y =0521(C—); ly wt tinal (4.14) T 2 T 2
Về điện áp, cả hai transistor và điệt đều phải chịu điện áp có giá trị bằng E
Thí dụ 4.1 NLĐL điện áp một pha với: E = 250 V; Rị = 4 Q; Lị = 10 mH; tần số điều
khiển 50Hz Yêu cầu:
1 Dùng phương pháp “sóng hài cơ bản” xác định: trị số hiệu dụng sóng hài cơ bản điện áp dòng điện ra, trị số trung bình dòng qua các van
Xác định giá trị trung bình theo phương pháp tuyến tính hoá dòng điện
Chọn van,
Tính hệ số méo tổng THD và hệ số sóng hài thấp nhất DF(LOH)
Giải:
1 Phương pháp sóng hải cơ bản
Trang 8Hằng số thời gian mach tai: t= a = 2,5.1074s ú a, Giá trị cực đại của dòng tải tính theo (4.12): T Jpg, = Eee _ 2501 ~ex4-20.107/225.10) _ gy 95 max = ~— — 4 I+exp(20.102/2.2,5.107”) t1i+e thời điểm dong tải qua không, tính theo (4.13): 2 =2,5.107 m———————— =],687.10ˆ”s = 1,687 ms — 1+ exp(—20.107* /2.2,5.1077) †¿ =tln I+e 2 b Dòng trung bình qua các van tinh theo (4.14): 1 T ¬ - Ty, = 85 —Tnas (> ™ ples ~ ty) = 0,5 60,25 ot) ~ 167.107) = 18,4454 20.10 ¢ ) 11 I_ 6025.168710 Am —————*=<2/258A PT 2 20.107 2 Thay ring gia trị tính theo hai phương pháp không sai lệch nhiều 3 Chọn van
* Transistor: véi chế độ hoạt động van phải chịu dòng xấp xi 18 A và điện áp 250 V, nên cần chọn transistor có đòng cỡ 50 A và điện áp cỡ 600 V Trên cơ sở này tra cứu có thể
tuy chon van BT, IGBT hay MOSFET déu thoả mãn được yêu cầu trên
® Điôt: van này chịu dòng nhỏ hơn nhiều (2 A) nhưng điện áp vẫn là 250 V, nên có thể chọn
điệt cỡ dòng < 10 A với cấp điên áp 600 V, lưu ÿ điột phải là loại nhanh mà không phải
loại chỉnh lưu thông thường `
4, Các hệ số
® THD Điện ấp xung chữ nhật #E có giá trị hiệu dung bằng chính E, do đó theo (4.5) có thể
tính được hệ số méo tổng như sau: = 0,484 tương ứng THD%=48,4% 0,9E e Hệ số sóng hai DF(LOH) Theo (4.1) có tỉ số giữa biên độ độ sóng hài bac q = (2k-1) voi biên độ sóng hài cơ bản (q=1)Bà: U 4E/n |
Trang 94.2.2 Tính toán tụ điện một chiều trong nghịch lưu điện áp
Trong thực tế, năng lượng một chiều thường không được lấy trực tiếp từ nguồn một chiều (như acqui) mà từ lưới điện xoay chiểu thông qua mạch chỉnh lưu
Trong trường hợp này phải mắc ở đầu ra chỉnh lưu một tụ điện C, có nhiệm vụ: ® Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E
s Nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải khi các điệt dẫn dòng, vì chỉnh lưu không cho
dòng đảo chiều lại
Trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện áp một chiều Khi điệt dẫn thì tụ nạp, do đó:
take trong đó: ai = exp(-T/2z)
hệ số ke cảng tăng khi chu kỳ T cảng lớn, hay tần số càng giảm; kc lớn nhất khi tần sế tiến tới không f — 0 tương ứng T — œ thì kemax= (1 - In2 ) = 0,3, lace dé: Et Et AU, = ——k c CR, ‘Cmax =—03 CR, và nếu lây độ đập mạch theo thông lệ là 10% thì giá trị lớn nhất của tụ điện cần mắc ở đầu vào nghịch lưu độc lập điện áp là: cụ = OEE 03% 4 t gly 615)
Lưu ý rằng chỉnh lưu có tụ lọc đầu ra được tính theo chỉ tiêu về độ đập mạch, tụ này chính là tụ đầu vào của NLĐL,
Thi du 4.2 Theo số liệu NLĐL điện áp ở thí dụ 4.1 hãy xác định giá trị tụ điện một chiều:
a._ Theo yêu cầu của nghịch lưu độc lập
b Theo chỉ tiêu lọc ở mục 1.5 nếu dùng chỉnh lưu cầu một pha Giải:
a Tinh theo (4.15) được: Cựy„ =3—-= ‘max TP —=I,875.102 F=l8?5wF b Tính giá trị tụ C theo khâu lọc một chiều
Trang 10l 1
——_-— Mem -ORy Kame 2.314.7,98.0,1 = — _ = 1,995.10 = 1995 uF Cc
Như vậy hai trị số không khác biệt nhiều, ở đây có thể chọn tụ C = 2000 HE
Lưu ý rằng nếu chỉnh lưu là mạch ba pha thì số đập mạch lớn hơn (điện áp ra bằng phẳng hơn) nên giá trị tụ nhỏ đi khi tỉnh theo chỉ tiêu lọc, tuy nhiên nếu chọn tụ nhỏ sẽ dẫn đến khả
năng tăng áp một chiều khi điện cảm trả năng lượng về nguồn gây nguy hiểm cho thiết bị, vì thế
tụ C nên được chọn theo chỉ tiêu của nghịch lưu độc lập điện áp thì an toàn hơn
4.2.3 Tỉnh bộ lọc tằn số đầu ra nghịch lưu
Tai công suất không thể sử dụng các phương pháp lọc tần số hiệu quả như trong kỹ thuật xử lý tín hiệu đùng khuếch đại thuật toán OA Với dong tải lớn và điện áp cao bộ lọc phải thực hiện bằng các phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tốn thất công suất không thể tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị Hơn nữa hiệu
quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao, đó là các nhược điểm chính của lọc thụ động
VỀ nguyên tắc, bộ lọc thụ động chỉ có thể là các phân tử đầu nói tiếp hay song song tải với các tông trở Zm và Z/ như hình 4.7a Từ đây có thể thấy nguyên lý chung để thực hiện lọc là:
® Phần tử mắc nổi tiếp với tải (hình 4.7b) hình thành một bộ chia áp theo tỉ lệ tương quan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì điện á ấp trên nó cũng lớn, bởi vậy cần:
«Với tẦn số sóng hải cơ bản mong muốn Zm << Zia, và tốt nhất Zor = 0 (cộng hưởng), lúc đó toàn bộ sóng cơ bản được đưa ra tải không tốn thất ở khâu lọc
“_ Với các thành phần bậc cao thì ngược lại Zm >> Z„¡ để điện áp với các tần số
nay rơi chủ yếu ở Za, tức là được giữ lại ở khâu lọc
« Với phần tử mắc song song với tải (hình 4.7e) hình thành một bộ chia dòng theo tỉ lệ tương quan giữa chúng, tổng trở nào cảng nhỏ thì dòng chính rẽ nhánh qua nó càng nhiều, vì vậy cần:
" Với tần số Sống hai cơ bản mong muốn Z >> Z„g¡, và tốt nhất Z= œ (cộng hưởng ở tần số cơ bản), lúc đó toàn bộ dòng của sóng cơ bản được đưa ra tải, "_ Với các thành phần bac cao thi ngược lại Z << Z„¡ để đông với các tần số này
Trang 11Tuy nguyên tắc lọc đơn giản như vậy, song vì mạch lọc hình thành từ phần tử LC nên có khả năng gây dao động, tần số này khó biết trước vì không có định do có sự tham gia của cả các
phần tử L, C của tải, dây dẫn, của nguồn v.v
Có ba mạch lọc thường dùng trên hình 4.8 và cách tính toán khác nhau, tuy nhiên yêu cầu chung về tính mạch lọc là nhằm thoả mãn đồng thời các chỉ tiêu:
«e Hệ số méo nhỏ Tuỳ tải mà hệ số méo có thể yêu cầu khác nhau, thường THD phải đưới
20%, một yêu cầu dạng khác là hệ số sóng hải thấp nhất dưới 5% thì điện áp ra được coi là tốt (HFrou < 0,05) « Cơng suất đặt thấp nhất có thể * Tên thất công suất của bộ lọc thấp nhất, se Đặc tính tần số dốc
Hình 4.8 Các bộ lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp 4.2.3.1 Lọc hai mắt cộng hướng (hình 4.8a)
Trong bộ lọc này cả hai mắt lọc đều cộng hưởng ở tần số sóng hải cơ bản: LỊC: là cộng
hướng nối tiếp ( XLị = Xci ), còn LạC; là cộng hưởng song song ŒXI¿ = Xcạ) Quan hệ công suất của hai mắt lọc với công suất tải được đánh giá bằng các hệ số:
„ 1 L
aa tong 46: Q,=Q,)=Qq HZ + Zor =e eels = fe
_Q Un ! L¿
$ râu P, ¡ trong đó: Q; =Q¡; =Qc; = 2 L2 C2 Ley” ;¡ 2c C2 aC, =@,L, = J— V2 €
Trang 122 x 4 5 xi
trong dé: A= gat Biểu thức (4.17) cho thấy nếu mẫu số âm thì mạch sẽ dao động, do đó với
q
bậc sóng hài “q” để tránh dao động cần thực hiện: ey <1 Như vậy ở bậc sóng hai thấp nhất
là quoy thì hệ số e phải thoả mãn điều kiện không có dao động cộng hưởng: c<- ion, (4.18) ion ~1 Lon Khi có tải (m # 0) hệ số truyền đạt bị suy giảm: ST e l6 16 Hệ số e cảng lớn độ méo điện áp ra cảng giảm, song công suất đặt và kích thước bộ lọc tăng lên
Các tỉnh toán trên coi các cuộn cảm và tụ điện lý tưởng không có tổn hao
Nếu tải có tính cảm kháng thì điện cảm tải Lị phải được tính trong điện cảm nhánh song, song Lạ, hoặc tu Cy can bù hết công suất phản kháng của tải và công suất nhánh Song song phải thỏa mãn điều kiện Q; = Sysing V6i tai dang nay phan tích cho thay kích thước lọc sẽ
nhỏ nhất khi:
§ sin œ = 0,25eP,
Thi du 4.3, NLDL điện áp một pha hình 4.5a với để thị làm việc ở hình 4.6 có công suất
tai 1 KW; dign ap ra 220 VAC va fi, = 50 Hz 1 Xác định trị số nguồn một chiểu cần thiết, 2 Tính bộ lọc tần số hai mắt cộng hưởng
3 Xác định hệ số truyền đạt của sóng hài bậc thấp nhất với tải định mức, Giải:
1 Theo (4.6) có quan hé: Us, =4E_ 2U; do đó để có trị số hiệu dụng 220 V cần T
nguồn một chiều có trị số: E= TU, = +42220 7 244,36 V,, có thể lẫy E =245 V (chưa tính sụt áp trên các phần tử khác)
2 Theo phổ sóng hài hình 4.6b thì bậc sóng hải thấp nhất: q=3 Vậy:
Trang 13® Mắt lọc song song LạC¿: 2 2 + 2Q =2 =40910; =C;=— TL =! _ —7185.107%E~38mE Q, "T183 OZ 3144091 và: Lý = 2€ = S021 — 013 10H ~130mH ø 314 ® Mắt lọc nối tiếp LịC:: P, _ 1000 Dòng điện qua mắt lọc này đơn giản coi bằng dòng tải: Tel, =o" 0 =4,55A * t cl =a = 183 _ 600; =c,-—l_ I 4,55 ®;Z@ 314.260 | =12,25.10°°F = 12 pF, mL, = Zet 260 _ 0 2280 >0/83H @, 314
3 Sóng hài thấp nhất q = 3, do đó hệ số truyền đạt sóng hài này qua bộ lọc:
s Khi tải định mức m = 1, theo (4.19) có hệ số truyền đạt: Kuíq=3)= | —= 1 = 0,888 ~ 0,9 2A? ee 1,472,667?) | 1,472,667? q— m 16 (~ l6 - 2 4 pe OO 16
Kết quả mô phỏng bộ lọc theo các số liệu tính toán cho hình đạng điện áp ra tải và đặc tính biên tần trên hình 4.9 Biên độ sóng hai co ban đo được là 312 V, tương ứng giá trị hiệu đụng là 220 VAC, dién áp nguồn một chiều lấy bing 245 V Cutput voltage (M , f † f 180 1700 180m 19008 1 “ Frequency [H4 16 2t Hình 4.9 KẾ quả mô phòng thí dự 4.3 4.2.3.2 Lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp
Nhược điểm của lọc hai mắt cộng hưởng là công suất đặt lớn, để khắc phục điều này có thể dùng bộ lọc hình 4.8b, Bộ lọc này chỉ có mắt lọc nối tiếp được tỉnh toán để cộng hưởng, còn tụ C¿ không chỉ nhằm rẽ nhánh đòng sóng hài cao tần Các hệ số quan hệ vẫn như mục 1:
1 L
Q
g =, trong đó: Q = Qu = Qo =HiZq s Zo = aC, =a,L, = c,
Trang 14Ky@)= (4.20) j 22244" ~) l+e3 ) m ) Khi không tải hệ số này sẽ lớn nhất: Ku()Z“————z—~ (4.21) I- 8,8,(q° -1) 2 l+E) Để không bị cộng hưởng ở tần số sóng hài thấp nhất cần mẫu số của (4.21) không âm, suy ra: #iE;(g7~1)—e) <1 (422)
Phân tích cho thấy hiệu quả lọc tốt nhất khi s; = (0,68 + 0,78), song điều này làm công suất đặt lớn, đo đó để giảm công suất bộ lọc có thể chỉ lấy sạ <0,5
Thí du 4-4 Theo số liệu thí dụ 4.3 tính bộ lọc tối ưu một mắt cộng hưởng hình 4.8b Giải: 1 Xác định tụ Cạ Theo chỉ dẫn chọn s; = 0,7, suy ra Q, = €,P, =0,7.1000 = 700 VA Tir day tính được tụ C;: 2 2 Z4, =-Ú5 = 22” _ go 140 =(Œ=—L—~=>—— =4606.10°°Ex.461ụF Q; ` 700 o2 314484
2 Xác định mắt cộng hưởng nổi tiếp LịC¡ -
Từ điều kiện (4.22) chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q = 3) có:
Eue;(qˆ=1)—e) <1 => €,0,7(3?-1)-0,7 <1 => &, < 0,266, chon 6 = 0,2
Suy ra công suất phản kháng: Q, = ,P, = 0,2,1000 = 200VA Dong dign tai Idy theo tính
toán ở thí dụ 4.3 bằng 4,55A, từ đây tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
Q, _ 200 1 t
Zq == oT, 4,55 = 4,96Q; >C, =——— =— _= 72,445.10 °F = 72,4 pF, '7 Z5 3144396 h
=L =9 = 436 — 0 14H tôi 314
Kết quả mô phỏng bộ lọc theo các số liệu tính toán vẫn với điện áp nguồn một chiều 245 V cho hình dạng điện áp ra tải và đặc tính biên tần trên hình 4.9 Biên độ sóng hải cơ bản đo được là 324 V cho thấy hình sin này không tốt như dùng bộ lọc trước (nhọn đỉnh), mặt khác khu vực gần điểm 0Vcó độ méo đặc trưng của sóng hài bậc 3 khá rỡ
Trang 15380 Em tiên lâu + 20° Frequency [Hz} 100 th Hinh 4.10, Két qua mé phéng thí dụ 4.4 4.2.3.3 Lọc LC (hình 4.8c) Đây là lọc đơn giản nhất, biểu thức của hệ số truyền đạt điện áp sóng hài khi có tải: Ky(k)= (4.23) ££) Điều kiện chống cộng hưởng ở tần số sóng hài thấp nhất: ¬ (424) l+e2 < q
Phan tich cho giá trị tối ưu cho s; bằng 1, tuy nhiên để giảm công suất đặt thường lấy giá trị nhỏ hơn, có thê lây g; = 0,5
Thí dụ 4.5 Lấy số liệu của thí dụ 4.3 tính bộ lọc LC đơn giản theo điều kiện tối ưu Giải: Theo chỉ dẫn chọn giá trị tối ưu s; = l, suy ra Q; = e;P, = 1.1000 = 1000 VA Từ đây tính tụC: 2 2 Z.= E%= 220 220" 48,40; >C=—L—=-—| = 65,799.10 F = 65,8 pF Q, 1000 Ze, 314968 Xác định điện cảm L
Từ điều kiện (4.24) chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q=3) có: Long > 4 1 >6 <2=0222 chon e; = 0,2 peer RE Ted? gt OE Sg Trees ORE
Suy ra công suất phan khang: Q, = ,P, = 0,2.1000 = 200VA Dang điện tải lấy theo tính toán ở thí dụ 4.3 bằng 4,55 A, từ đây tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
Q, _ 200 - Zu „ 43,96
Z, wt = 1 4,55 = 43,960; > ø ==" 314 = 0,14H
Trang 16Kết quả mô phỏng trên hình 4.† le cho thấy do đặc tính tần là không có tỉnh chọn lọc nên ảnh hưởng rõ rệt đến dạng điện áp ra, gây độ méo lớn và bị dịch pha đi khá nhiều so với sóng hài cơ bản Trên đồ thị hình 4.11 đồng thời đưa ra kết quả mô phòng dạng điện áp và dòng điện khi
sử dựng ba bộ lọc nói trên theo số liệu tính toán của các thí dụ 4.3; 4.4 và 4.5 để có thể so sánh
hiệu quả các loại lọc
a) Lọc hai mắt cóng hưởng
5 Toms Em 3oms đồm og T0me 20m k3 40ng
dang dién 4p ra đạng điện dp và dòng dién véi ti RL cos = 0,8
Hình 4.11 Đồ thị điện áp ra sau bộ lọc các loại
4.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP BA PHA
Dé tạo ra hệ điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn sức điện động E cần sử dụng ba nhóm van dau theo mạch cầu như hình 4 12a, điểm giữa mỗi nhánh van thing hàng là điểm nói với phụ tải ba pha đấu sao hoặc tam giác Sơ đỗ có thể điều khiển bằng hai luật dẫn van khác nhau:
e Góc dẫn van 4 = 180° (hinh 4.12b), luật điều khiển nay giống trong NLĐL, một pha (mục 4.2) khi hai van một nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ
Trang 17Đặc điểm khác hẳn của NLĐL ba pha so với NUĐL một pha ở chỗ điện áp ra tải phụ thuộc
cả vào luật điều khiển, cách đấu của phụ tải và thậm chí cả tính chất tải Do sự đa dang này nên
sau đây chỉ có thể đề cập một trường hợp thông dụng làm cơ sở cho các phân tích tính toán khác Nghịch lưu độc lập ba pha tải đấu sao, luật điều khién A =180°
4.3.1, Các đặc điểm chính
Với cách điều khiển này có đặc điểm hoạt động như sau: ở từng nửa chu kỳ trong mỗi nhánh van thẳng hang chỉ có một van dẫn: nếu van lẻ dẫn thì pha tải đó nối với cực dương của
nguồn E, nếu van chấn dẫn thì pha tải nối với cực âm của nguồn E Ở bắt cứ thời điểm nảo cũng có ba van dẫn làm cho mạch có hai pha tải đầu song song nhau (do hai van dẫn của cùng nhóm lẻ hoặc chẵn nhưng khác pha), rồi nối tiếp với van thứ ba thuộc nhóm kia Do đó hai pha đấu
song song nhận được 1⁄3 E và pha còn lại nhận 2/3E, vì vậy điện áp pha tải sẽ có dạng bậc thang và lệch nhau 120” điện như hình 4.13a 60" 1207 180° 240° 300° 360° tfc Pm aot [; trại fume) i ; ; 1 3 TH al mm a Ị t 7 xa Trại Trại b) Mững lượng điện cảm tếi không trả về nguồn, chỉ Chay quần trong các phe tải "TT + CHẾ |e a @) nguyén ly tao dion 4p ba pha ©) Nang tượng điện cẩm tải trả về nguồn
Hình 4.13 Đề thị điện áp nghịch licu độc lập ba pha tải đấu sao và A= 180°
Điện áp các pha B và C chỉ khác về góc pha, còn điện áp dây lớn gấp V3 lan dién ap pha
và cũng địch pha 1209 như hệ ba pha thông thường Biểu thức (4.25) cho thấy sóng hải thấp nhất (LOH) là bậc 5 mà không phải bậc 3 như nghịch lưu một pha
Với tải RU dòng điện tải biến thiên theo qui luật hàm mũ, có ba đoạn khác nhau thể hiện ở hình 4.13b,e Điểm đặc biệt của sơ đỗ này là ở chỗ mặc dù tải có điện cảm, nhưng nếu tải có hệ số công suất cosg > 0,528 thì năng lượng của điện cảm chỉ trao đổi giữa các pha tải ma không trả về nguồn và dong nguồn ig không đảo chiều (hình 4.13b) Chỉ khi cosọ < 0,528 dòng điện ig mới đảo chiều, nguồn mới nhận năng lượng từ điện cảm tải (hình 4.!3c), và cần phải có tụ điện nhận năng lượng này nếu nguồn một chiều là bộ chỉnh lưu Qui luật biến thiến dòng điện tải còn
phức tạp hơn nhiều của mạch một pha vì có tới ba giai đoạn khác nhau, vì vậy để đơn giản cần
áp dụng phương pháp sóng hải cơ bản
Khai triển Furier cho phổ sóng hải điện áp pha A:
Trang 18— 4E km = ——)sỉ 4.25 u, (t) > eno 5 )sỉn ket (4.25) k=l3,5 2
Theo ( 4.25) có biên độ sóng hài cơ bản (q =1): UL, = ae (4.26)
từ đây các tính toán tiến hành tương tự như với nghịch lưu điện áp một pha:
i,(t) =I, sin(@t — 9) = 2 tụ sin - @); trong đó z=R +(@L,}, @= aretg( =) Dòng trung bình qua các van:
1 lin
Ip = 52 (t-cos9); Ly, =2 (+eose)
Điện áp các van phải chịn khi hoạt động bằng nguồn E Dòng tiêu thụ từ nguỗn E có trị số:
-2E ¡3u I~a?
2nR,l-a+a | đây: „ở đây: a= = exp(- exp( 3X mR
ty (4.27)
ut
Dang điện áp ra hình 4.13a có giá trị hiệu dụng tổng bằng (V2E/3), nén hé sé méo tổng bằng:
a Eo, cei ~claein
Hp = 4823 „ ÝƯa UF ¬ V(V2E TL REI f)” - 0244, tương ứng THD% =44% HH
Như vậy là hế số THD của nghịch lưu điện áp ba pha tốt hơn THD của loại một pha
4.3.2 Tụ điện một chiều
Nếu nguồn một chiều là chỉnh lưu, cần mắc tụ điện để nhận năng lượng từ điện cảm tải trả
về khi hệ số coso < 0, 528, trị số tụ điện này có giá trị lớn nhất a (21In2-1) = 0,13 wath = 0,13 TU Et c ™ = 3R AUS (4.28) 4.28 Nếu lấy theo thông thường AU, = 0,IE; có biểu thức đơn giản: KỊ% 18 Come =13-EE (4.29) SEN 1rha R 12 4.3.3 Bộ lọc đầu ra : 8 \
Tương tự như với NLĐL điện á áp một pha, điện áp ra của 4 \
NLDL ba pha ciing khéng phải là hình sin mà chứa cả phế cho NL 3pha sóng hài Để đưa ra tải chỉ chứa sóng hài cơ bản cũng phải sử 0 †
đụng bộ lọc đầu ra dựa trên nguyên lý chung (hình 4.7) và các 1224 36 48 8 sơ đỗ thực (hình 4.8) ở mục 4.2.3 Tuy nhiên hệ số sóng hải Hình 4.14, Sự phự thuậc
hệ số sống hài vào tham số 6
Trang 19của sơ đồ này thấp hơn sơ đồ một pha với cùng một hệ số tính toán s, hình 4.]4 cho thấy quan
hệ này khi dùng lọc hai mắt cộng hưởng, do đó công suất đặt và kích thước bộ lọc của loại ba
pha sẽ nhỏ hơn
"Thí du 4.6 NLĐL ba pha hoạt động theo hình 4 I3a với tham số tải: Upha = 220 V; f= 50
Hz; Ipnatm = 20 A; hé số công suất tải định mức cosoam = 0,8
1 Tính tham số nguồn một chiều
2 Xác định biên độ hai sóng hài thấp nhất
3 Tính tụ lọc một chiều để có dao động điện áp không quá 10% biét cos@nin = 0,1 tong ứng dòng tải 2 A Nếu chỉnh lưu một chiều dùng sơ đổ cầu ba pha tính tụ lọc theo chỉ tiêu đập mạch để so sánh
Giải:
1 Do có quan hệ: U,„ ate suy ra nguồn một chiều cần có giá trị:
— "=——_= th: 488,72V ~ 490V, lưu ý giá trị này chưa tính đến các
điều kiện như sụt áp trên van khi dẫn, tên thất điện áp trong bộ lọc đầu ra p Trong chế độ định mức có: Zam = 1 = 110 = Rygm = Z.COS Pg, = 11.0,8 = 8,8 2 5X ay =Zsin 0m = 6,6Q dị Từ đây theo (4.27) với a = 2 EY) 2 1~a? )- mm — 3/66 —_ I-028 lạ=“— F 2nR,I~a+a) 3 88( 27,88 (1-0,25+ 0,25") = 42,83A 3R,
Như vậy tham số sơ bộ của nguồn một chiều là 490 V và dòng một chiều 43 A
Trang 20„ La, _ 220 mm" =10Q => R, =z.cospy, =110.0,1=11Q5 Xjgq = ZSiN Pan = 109,450 Lam ‘din = lấn Vậy theo (429): Cự, =L3—+ =L3102đ5 5 145.107 RẺ 11314 F = 3745 pF
Nếu tính theo hệ số đập mạch chỉnh lưu dùng biểu thức (1.15), trong đó cần lấy theo điện
trở tải định mức và độ đập mạch bằng một nửa dao động điện áp cho phép, nên có:
C==———=—— mạ„@R,kạu„ 6.314.8/8.0/05 | — — ~1206.10ˆ^F = 1206 uF
Vậy nêu lấy giá trị tụ tính theo lọc một chiều của mạch chính lưu sẽ không đảm bảo khả
năng nhận năng lượng trả về và do đó điện ấp trên tụ sẽ tăng lên làm điện áp một chiều tăng theo gây nguy hiểm cho van Do đó trong trường hợp này cần chọn giá trị tụ khoang 4000 pF
4.4 CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP RA CHO NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP
Như đã thấy ở các mục 4.2 và 4.3 điện áp ra sau mạch van của nghịch lưu độc lâp điện áp nhìn chung có đạng xung ma trong đó chỉ có một thành phần sóng hài cơ bản là hình sin với tần số mong muốn Nếu tải không có đời hỏi về đạng áp ra hình sìn sẽ không cần quan tâm kỹ lưỡng đến bộ lọc Tuy nhiên với các tải xoay chiều được thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn điện áp
hình sin (như động cơ điện, máy biến áp lực) cần phải cải thiện dạng điện áp ra theo yêu cầu của
tải Như vậy mục đích của việc cải thiện điện áp ra là làm sao dang điện áp ra hình sin, có một số phương pháp sau được sử dụng:
® Dùng bộ lọc tần số thụ động, đây chính là khối lọc đầu ra đã để cập chỉ tiết trong các mục
4.2 và 4.3 trên đây, trong đó có chỉ ra các nhược điểm cơ bản ca lc ny
ôđ Phng phỏp cộng điện áp nhiều NLĐL với góc pha lệch nhau hoặc tần số khác nhau, ® Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn
® Phương pháp điều chế PWM: điều chế hình sỉn (SPWM) và điều chế vectơ (VPWM) 4.4.1 Cộng điện áp các nghịch lưu độc lập
Thí dụ về phương pháp này thẻ hiện ở đổ thị hình 4.15, ở đây dùng ba bộ NLĐL điện áp một pha giống nhau hoạt động cùng tần số ra, nhưng khác pha nhau Đầu ra của mỗi NLĐL là biến áp, các cuộn thứ cấp của chúng được đấu nối tiếp nhau, đo đó điện áp ra tải là tổng của ba điện áp thứ cấp MAY: Ura = Uy + Uy + Uy
Phân tích sóng hai cho biểu thức:
tra = 4 > tu, +21 cos Jeosap
%aat3s4 4
Nếu Uz = 0,707U, thi loai bé duge cdc sóng hài bậc 3 và bậc 5 có ảnh hưởng xấu nhất tới
đạng hình sin của điện áp ra, lúc đó:
Trang 21Ug = 4 5U,k(q)cosq0 T T35
trong d6:k(q) =1 +V2oos% và như vậy nếu lấy q = (8k - 3) hay q = (8k - 5) với k= 1, 2, 3 thì ngoài sóng cơ bản chí còn các hài bậc (8k +1) tức là các bậc 7, 9, 15, l7
Phương pháp này thực hiện khá đơn giản, các
van hoạt động nhẹ nhàng vì tần số chuyển mạch
thấp, nhưng số lượng van lớn và mạch điều khiển phức tạp Cũng có thể cộng điện áp các NLĐL hoạt động với khác tần số nhau, thí dụ cộng ba NLĐL hoạt động với ba tần số tương ứng fị, 3f; va Sf, dé có điện áp ra dạng: Ura = Uni (fi) - Uni 3h) — Unis GA) sẽ loại trừ được các sóng hài bậc 3 và bậc 5, và LOH là bậc ? Nếu cộng 4 NLĐL với tần số làm việc f\; 3fị: 5f; và 7f| thì bậc sóng hài thấp nhất là bậc l1
Phương pháp này đòi hỏi các nghịch lưu hoạt
động ở tần số không giống nhau do đó các bộ NLĐL Hình 4.15 Cải thiện điện áp ra
không đồng nhất làm phức tạp mạch lực và điều _ Đằng công điện áp
khiển, vi vậy cũng ít được dùng các nghịch lu độc lập lệch pha
4.4.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha
4.4.2.1 Nguyên lý chung
Nhược điểm cơ bản của lọc thụ động là tổn thất công suất và kích thước đều lớn, không hiệu quả khi tần số ra phải thay đổi trong một phạm vỉ nhất định, Do đó hiện nay lọc thụ động
thường chỉ dùng với tần số ra không đổi (như bộ nguồn UPS) và phải kết hợp với các phương pháp khác hiệu quá hơn, mà được dùng, nhiều nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Điều chế PWM tuy được phân chỉ thành hai loại lớn là điều chế hình sin (SPWM) và điều
chế vectơ (VPWM), song sự đa dạng của từng kiểu điều chế rất phong phú, đặc biệt là VPWM, và vẫn được tiếp tục nghiên cứu phát triển Do đó trong khuôn khổ có hạn của cuốn sách ở đây chỉ để cập một kiểu kinh điển là điều chế SPWM
Nguyên tắc của SPWM là trong một khoảng dẫn của van (thí dụ theo 4.2.1 là một nửa chu kỳ) transistor không dẫn liên lục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của hình sin có tắn số bằng sóng hài cơ bản
Trang 22dién ap diéu ché hinh sin điện áp sóng mạng oao tần dạng tam giáo AM NA Ura +e -E “) 94 2 al)! mr sa : (my:2 Ï @n+z2) (2my+ 1) amy £2) (mys 1) - x3 7ì ») 0 Ltd err Teer ty LÍ 1 Hà 20 3b số sơ áp a
Hink 4.16, Diéu ché PWM hinh sia hai ewe tinh
Hinh 4.16a minh hoa nguyén ly này khi dùng xung tam giác tần số cao (gọi là sóng mang -
carrier) để so sánh với điện áp hình sỉn (gọi là sóng điều chế - modulation), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thải cửa hai cặp van cho nhau Điện ap ra không chỉ
còn hai xung chữ nhật với biên d6 +E hay —E mà là một dãy xung có độ rộng biến thiên theo qui
luật của sóng điều chế hình sin Khi điện áp đầu ra sau mỗi lần đóng ngắt van luôn tổn tại cả hai
dấu +E như vậy thì được gọi là điều chế hai cực tính, nếu PWM cho điện áp ta ở suốt nửa chu kỳ
chỉ có một dấu, hoặc dương hoặc âm, được gọi là điều chế một cực tính Dạng điện áp ra ở hình
4.16a là điều chế hai cực tính, còn điều chế một cực tính được thể hiện ở hình 4 ]7b,c
Hiệu quả giảm sóng hài bậc cao của PWM phụ thuộc vào quan hệ thể hiện ở hai hệ số chỉnh:
» Hệ số biên độ: m, = Unde a ti 56 giữa biên độ điện áp của sóng điêu chế và sóng mang, ime
bình thường có mạ < 1, nếu mạ >] gọi là quá điều chế làm giảm chất lượng điện áp ra,
a Ath fois ke ok ke › tên án đ$ều, ơb
đ H s tõn: mự = rủ tỉ số giữa tân số sóng mang f và tần số điện áp điều chế fạc de
thông thường tần số sóng mang bằng tần số đóng/ngắt van do đó tần số này hay được gọi là tần số chuyển mạch Ísw (switching frequency),
Trang 23Để thực hiện điều chế một cực tính cũng có nhiều cách mà một trong số đó thẻ hiện ở hình
4.17a, ở đây hai van của một cặp không đóng/ngắt đồng thời mà lại đổi nhau, thời điểm chuyển đổi trạng thái giữa hai nhóm cũng khác nhau nhưng vẫn dựa theo nguyên tắc SPWM u i ve Tra T va ra: = a) + ở” Ume tốn - điện áp điều ohể hình ein Ur Ite} ®) Điều chế PWWMI một cực tính © Tet abn ae tz abn &) tự Ta a Gre amet « g t L3 ” Grin Qy | 3 Ter K3 s TT ng Hình 4.17 Điều chế SPIWWM một cực tính
a;b) Cách thực hiện, c) Phô sóng hài
Theo đồ thị đóng ngắt các van ta có thể thấy:
« Điện áp ra bằng không khi Tr¡ dẫn cùng Tr› , hoặc Trz dẫn cùng Tra
e Ở nửa chu kỳ đầu có những giai đoạn Trị dẫn cùng Tra sẽ có điện áp ra bằng +E,
e Ở nửa chu ky sau khi Trạ dẫn cùng Trạ sẽ có điện áp ra bằng -E hai trạng thái cuối không bao giờ xuất hiện ở cùng một nữa chu kỳ
Trong cách này cần tạo hai hình sỉn ngược pha nhau và chỉ một xung tam giác cao tần;
nhưng có thể làm ngược lại: chỉ dùng một sóng điều chế hình sin va hai xung tam giác ngược
pha nhau
Một cách khác để nhận được điện áp một cực tính là chỉ dùng một hình sỉn, nhưng xung
tam giác được dịch chuyển để luôn cùng dấu với điện áp hình sin (hình 4.17b): ở nửa chu kỳ
dương của hình sin xung tam giác nằm toàn bộ trên trục hoành, và ở nửa chu kỳ âm của hinh sin
Trang 24thì xung tam giác lại nằm dịch xuống dưới trục hoành Các van hoạt động tương tự như băm xung một chiều điều khiển riêng: nửa chu kỳ đầu van Trị luôn điều khiển mở, van Trz đóng/ngắt theo PWM; nửa chu ky sau đến van Tr: luôn điều khiển mở còn Trạ đóng/ngất theo PWM Trong cách này van hoạt động nhẹ nhàng hơn, mạch điều khiển cũng đơn giản hơn
Với phương pháp SPWM dạng dòng điện ra được cải thiện đáng kể, tuy nhiên phổ sóng hài của điều chế một cực tính tốt hơn điều chế hai cực tính, điều này có thể thấy khi so sánh đỗ
thị hình 4.16b với đỗ thị hình 4.17e
Tan số chuyển mạch van fs„ cảng lớn độ méo hài cảng giảm, tuy nhiên tân số này bị hạn chế bởi khả năng đóng/cắt của van lực, mặt khác tổn thất chuyển mạch và nhiễu cao tần công nghiệp cũng tăng nhanh theo fsự Vì vậy thiết bị công suất có tần số điều chế thường dưới
10 kHz (
Hinh 4.18 là đề thị chỉ ra quan hệ của trị hiệu dụng các sóng hài với điện áp nguồn một chiều E khi sử dung điều chế hai cực tính, ta thấy có các sóng hải tương ứng các hệ số tần lả: mự (bằng chính tần số séng mang
cũng là tần số chuyển mạch van); tạm
(mr+ 2); (2mr + 1); (2mr + 3)
Trong đó sóng hài thấp nhất y; [>t
(LOH) tương ứng (my -2) tức là có xi tY tần số thực bằng (mpfe- fgg) 1a tan r> số chẵn Các sóng hài tần số lẻ 0 khác sẽ tương ứng (2m + 1) có h điểm cực đại khi hệ số biên độ ni : bằng 0,6; và (2my + 3) a % ï i Gm,+0) Vậy có thứ tự các sóng hải là: z (mp 2); mỹ (my + 2) (my - 3); 02 ⁄⁄ (2mr - 2); (2mr +2); (2m¿+ 3) Thí du 4.7 NLĐL điện áp " một pha sử dùng phương pháp 0 SPWM cần tần số ra 50 Hz, tần số ons mang là 4 kHz, hệ số = 0,85 | L] et ome] A 4 | ———=—: 04 06 ror m,
Trang 251 Giá trị điện áp nguồn một chiều:
Theo đồ thị hình 4.18, với mạ = 0,85 có tỉ lệ Uj/E = 0,6; suy ra cẲn có giá trị nguồn một
chiều: E = U;/0,63 = 220/0,6 = 366,66 V, ly gid tri E = 370 V Nếu so sánh với thí đụ 4.3a ta thầy khi không sử dụng PWM điện áp nguồn một chiểu là thấp hơn khá nhiều, chỉ có 245 V 2 Sóng hài bậc cao Tra đề thị với mạ = 0,85 ta có phổ sóng hài như sau: « LOH : (mr— 2) + (80 — 2).50Hz =3900Hz có (U/E) = 0,17 2 Uqgspons) = 0,17.370 = 62,9V e my + 80.50Hz = 4kHz có tỉ số (U/E) = 0,54 => Ủ(4o0onz) = 0,54.370 = 200V © (mf + 2) + (80 + 2).50Hz = 4100Hz có (U/E) =0,17 => Uqtoona) = 0,17.370 = 62,9V ® (2my - 3) = (2.80 - 3).50Hz = 7850Hz có (U/E) = 0,12 © U(?gsonz) = 0,12.370 = 44,4V « (2my - l) = (2.80 - 1).50Hz = 7950Hz 06 (U/E) = 0,2 => U/70s0na) = 0,2.370 = 74V, ® (my + I) + (2.80 + 1).50Hz = 8050Hz có (U/E) = 0/2 — U(sosonz) = 0,2.370 = 74V ® (2m + 3) + (2.80 + 3).50Hz = 8150Hz có (U/E) = 0,12.= U(g140Hz) = 0,12.370 = 44,4V,
4.4.2.2 Tụ đầu vào một chiều cho phương pháp SPWM
Trong phương pháp PWM, tụ một chiều làm việc ở chế độ phóng nạp với tần số bằng
tin sé sóng mang mà không phải với tần số sóng điều chế (tần số ra), vì tần số sóng mang thường cao hơn nhiễu tần số ra nên độ sụt.áp khi phóng của tụ cũng ít hơn so với trường hợp tụ làm việc với tần số điều chế, Do đó giá trị tụ điện khi dùng phương pháp PWM nhỏ đi và tính theo biểu thức:
c.# HÌyn sin? 2230" 4.30
2 f,AU¢ 2 (430)
Trong đó:
e ụ - hệ số điều chế, là tỉ số giữa khoảng dẫn van trong một chu kỳ sóng mang, pf < 1;
© lịm - biên độ đòng điện sóng hài cơ bản (bậc 1);
© fm - tin s6 sóng mang;
Trang 26
0
= 8,662 sin? oe (4.32)
Thí du 4.8 Tính tụ điện một chiều cho NLĐL điện áp hoạt động theo phương pháp SPWM với tần số fm = 4 kHz, yêu cầu tần số ra 50 Hz, điện áp ra 220 V, Tham số tải Rị = 4 Q; L, = 10 mH So sánh trị số tụ điện này với giá trị tụ tính toán ở thí dụ 4.1 Giải: Theo số liệu đầu bài có: z, = YR? +X? =,/4? + (29.50.1010)? = 5,085 Q 314.10.107 Góc pha tải: ga rong TC =arctag =3813 t Us, _ 42.220
Biên độ dong tải: on a9 cong ly =— = `" = 61,185A
Theo ( 4.32) có giá trị tụ lọc một chiều:
_¬a0 0 _.n0
C=866.msin2 # —” ™ 5 — = 8,66 SLES gig? SEIS = 30" 4000 2 = 666.10 F = 666 ue
Khi không dùng phương pháp PWM giá trj tu dién mét chidu này tính theo thí dụ 4.2 bằng 2000 HF, như vậy khi dùng phương pháp PWM giá trị tụ giảm đi khoảng 3 lần
4.4.2.3, Bộ lọc tần số đầu ra cho phương pháp SPWM
Theo xem xét ở trên thấy rằng dùng phương pháp SPWM cho phép loại bỏ được nhiều các sóng hài bậc thấp vì sóng hài thấp nhất LOH có bậc sát với tần số sóng mang, do đó cảng tăng tần số này th† điện áp ra càng gần sin hơn, Nếu tải có điện cảm thì đồng tải đã rất gần hình sin mặc dù không dùng bộ lọc (hinh 4.17b) Nhưng trong phổ sóng hài cũng cho thấy biên độ sóng hải có tần số bằng chính sỏng mang (tương ứng với my) lại khá lớn Chính vì vậy ở đây bộ lọc
được tính toán với hai mục tiêu chính:
© Loc lay séng hai co ban, song giá trị các phần tử không cần lớn do phương pháp đã cho phép giảm hệ số méo đi nhiều
« Chặn sóng hài với tần số bằng sóng mang, đặc biệt với phụ tái như động cơ điện vì tần số sóng này thường khá cao đễ gây các xung áp lớn làm hỏng thiết bị
1 Nghịch lưu độc lập điện đp làm việc với tần sễ ra không đổi
Trong trường hợp này vẫn có thể dùng lọc cộng hưởng hình 4.8a,b như đã đề cập chỉ tiết ở mục 4.2.3 Tuy nhiên do phương pháp PWM đã cải thiện đáng kế phổ sóng hải của điện áp nên
có thể khong ding loc hai mat cộng hướng mà thường dùng khâu lọc đơn giản hơn và công suất
bộ lọc cũng giảm đáng kể ` `
Trang 27Thí dụ 4.9 Tính bộ lọc hình 4.8b với tham sé tai 1000 W; dign ap ra 220 VAC va fra = 50 Hz Giải: Vẫn thực hiện theo phương pháp ở thí dụ 4.4 nhưng chọn công suất phản kháng nhỏ đi 1 Xác định tụ C¿ Chọn 2 = 0,1, suy ra Q, =€,P, = 0,1.1000 = 100 VA Tir day tinh duge tu C2: 2 2 Ley aU 220° _ agua; sc, ot ~6,58.10-5F => 7HE Q, 100 @Ze, 314.484
2 Xác định mắt cộng hưởng ndi tiép LiCy
Từ điều kiện (4.22) chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q = 3) có: eie;(q?~—~e; <l =_ s¡0I@?~I)—0,1” <1 =e¡ <l,27, chọn sị = 0,1
Suy ra công suất phản kháng: Q, = e,P, = 0,1.1000 =100VA Dòng điện tải van theo tinh toán ở thí dụ 4.3 bằng 4,55 A, ti day tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
Ze = 2 = 1 Lo 980; 3c, =— = 1, 435 mo 3142198 Lh =144,9.10°F 145NE,
=L =5“ = 212 — 0 07H =70mH ø 314
Kết quả mô phỏng ở hình 4.19a cho thấy đồ thị điện áp trên tải và ở tụ C¡ và đồng điện qua điện cảm Lị, còn phd song hai trước và sau lọc trên hình 4.19b Qua đây thấy rằng mặc đủ đã giảm đáng kế công suất đặt (tir 700 VA 6 thi dy 4.4 xuống còn 100 VÀ) song chất lượng điện áp ở tải là tốt, sóng hài lớn nhất với tần số 4 kHz đã bị triệt hoàn toàn sau bộ lọc 4o ị ° : i : i ụ 30mg 20ms 20m 40m 0 1 2 a 4 Shtte
Trang 28Qc =£;P, =1.!1000 = 100VA Từ đây tỉnh tụ C: UỆ _ 220? 1 1 -6 =F = = 4840; > CH= = =6,58.10° F © 7pF © =O 100 @Z, 314484 K 2 Xác định L Từ điều kiện (4.24) chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q = 3) có: S182 < L => O28 + =t,<2=0/58, chọn ¡ = 0,1 l+e; q 2) 9
Suy ra công suất phân kháng: Q, = e¡P, = 0,1.1000 = 100 VÀ
Dòng điện tải vấn là 4,55A, từ đây tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
Zu = Se = 1 — 210g; L= 2t = 2L - 0 07H =7ômH 1, 455 1 o, 314 1
Kết quả mô phỏng ở hình 4.20 khi so sánh với hình 4.11e (thí dụ 4.5) cho thấy ở đây đã cải thiện đáng kế cả dạng điện áp và dòng điện mặc dù đã giám nhiều công suất đặt của L và C (giá trị điện cảm giảm 2 lần, giá trị tụ điện giảm 10 lần)
Tuy nhiên theo đỗ thị vẫn thấy hiện tượng dịch pha điện áp ra so với điện áp vào và sụt giảm giá trị điện áp so với lọc có cộng hưởng: do biên độ chỉ còn đúng bằng 300 V nên trị hiệu dụng điện áp tương ứng là 212 V chứ không đảm bảo được giá trị 220 V cần thiết 300, 200 100 0 400 200 300
0 10ms 3) dạng điện áp ra tải x Sims Tine Tố Tứ b) dòng điện qua điện cảm 2m Sone “0n
Hình 4.20 Kắt quả mô phông thí dụ 4.10 Khâu lọc chặn tần số sống mang
Như đã thấy ở đồ thị hình 4 18 và hình 4.19b trong phổ sóng hài thì biên độ lớn nhất là bậc tương ứng tần số sóng mang, tần số này lại ¡thường tớn nên gây ảnh hưởng mạnh đến tải, đặc biệt với động cơ điện có thể gấp gud dp tại đầu cực động cơ có khả năng đánh thủng cách điện làm hỏng động cơ Để chống hiện tượng này phải triệt sóng hài này bằng khâu lọc chặn tần hình 4.21a, thực chất đây là mắt lọc cộng hưởng song song với tần số:
———— 4.33
T2mjJLaCa (433)
Médun téng tré 6 tan sé co ban,cé trj sé bing: = z= Jo*Lg Cy, - Ole (4.34)
Trang 29Ở tần số cộng hưởng tổng trở của mắt lọc bằng œ nên mắt lọc có khả năng chặn tần số này, như vậy cần lấy chính tần số sóng mang để tính khâu lọc này Mặt khác cẦn đảm bảo tổng trở ở tần số ra (sóng cơ bản ) phải nhỏ để không ảnh hưởng nhiều đến điện ấp ra tải, thường sụt ap trên mắt lọc này không nên vượt quá 1% điện áp định mức Ở tần số cơ bản tổng trở lọc chủ yếu của điện cảm do đó gần đúng có thể coi bằng điện kháng Từ đây có cách tính mắt lọc như sau:
1 Tính sụt áp cho phép trên điện cảm Lạy ở tần số cơ bản
2 Xác định điện cảm Lạn
3 Tính tụ điện theo (4.33)
4 Kiểm tra tổng trở ở tần số cơ bản
Thí dụ 4.11, Tinh mắt lọc chặn tần số sóng mang 4 kHz với tham số tải 1000 W; điện áp
ra: 220VAC và fra = 50 Hz (sé ligu thi dy 4.9) Giải: 1 Sụt áp cho phép trên điện cảm Lạy ở tần số cơ bản: U,= 0,01.220 = 2,2 V, chọn sụt áp trên mắt lọc bằng 1 V P, _ 1000 2 Do dòng điện mirc tai: 1, = + = ——— 2 4,55A, suy ra dign ing die: U, 220 y ta dién cam Loh: L xX 022 220 = Lạ =>~k—=>—=0,7.10°H= => Lụ DINETT 7.10 0,7 mH 3 Tính tụ điện theo (4.33) Ù 1 €x=————=——=!.10°F=36uF ®°1/4(2nf„) 07.1022m4000)2 , 4 Kiểm tra tổng trở ở tân số cơ bản theo (4.34): -3 oly 314.0,7.10 = 0.22030 zeta SOT lo2L„Cạ | B1420/7.107146.1072~1 _ suy ra sụt áp trên bộ lọc: 4,55.0,22 = 1 V đạt
Trang 30Ghi chú: lọc chặn tần chỉ có tác dụng với một tần số sóng mang, đo đó phải kết hợp nó với lọc
tần số cơ bản nói trên để điện áp ra hình sin với độ méo đạt yêu cầu 2 Nghịch lưu độc lập làm việc với tÂn số ra thay đỗi
Khi tần số đầu ra thay đổi trong một dài rộng lọc cộng hưởng khó ứng đụng do mạch chỉ
cộng hưởng được với một tần số tính toán trước, hay với một vài tần số nếu sử dụng cách thay
đổi giá trị LC theo cấp Do đó trong trường hợp này thường chỉ dùng mạch lọc LC đơn giản,
hình 4.22 là kết quả mô phỏng sử dụng hai bộ lọc với số liệu của thí dụ 4.9 và 4.10 khi nghịch
lưu hoạt động ở tần số 25 Hz và 5 Hz Bd thi cho thay mach lọc LC (hình 4.8c) vẫn giữ được
dạng điện áp ra hình sỉn với biên độ không đổi trong khi lọc có mắt cộng hưởng nối tiếp (hình 4.8b) bị ảnh hưởng mạnh đến biên độ còn dạng điện áp cũng bị méo đi Loc LC Lọc có cộng hưởng nổi tiếp i H i H -380 i 0 20ms 4ũms B0me 80mg 100ms 0 20m 40mg 60ms 80ms 100ms 8) tấn số ta 25Hz b) tần số ra 8Hz
Hình 4.22, Lọc với tần số ra thay đổi rộng
Lọc kết hợp: Lọc sẽ hiệu quả khi kết hợp hai bộ lọc là lọc chăn tần và lọc RLC như hình 4.23 Phương pháp tính toán: to k AL b ch
1 Khau loc chan tan LoyCop tinh ty : ° n a
bình thường như thí du 4.11 trén day @® Ề Ị R — ch 2 Khau loc RLC tinh nhu sau: " Th e me tà ¬ Ds nh, T a Tỉnh điện cảm L theo d6 dap mạch dòng điện cho phép Hình 4.23, Lọc kết hợp LC và lọc chặn tần L= 0,125.E (435) cho nghịch lưa độc lập dign dp PWM Ai, f,
trong đó f,, la tan số sóng mang (tần số chuyển mạch van)
Trang 31(436)
I
C<s——
2nf, JL,
trong đó ft là tần số hoạt động của mạch điều khiển, thường lẫy cỡ ! kHz (tương ứng độ tác động,
của mạch điều khiển là 1 ms)
c Tính điện trở R theo điều kiện dập:
L
R=2l< Ve (437) 4.37
Thi du 4.12 Tính bộ lọc đầu ra kiểu kết hợp với NLĐL điện áp cấp cho động cơ điện xoay chiều với tham số tương đương: Rị = 6 Q; L, = 10 mH Điện dp ra 220 VAC; tần số 50 Hz; tần số sóng mang 1a fm =10 KHz Giải: 1 Tính khâu lọc chặn tần số mang 10 kHz Sụt áp cho phép trên dign cam Ly, & tin sé co bản ; U,= 0,01.220 = 2,2 V, chon sụt áp trên mắt lọc bằng 1 V : Tổng trở tải định mức: 2, = YX? +R? = ¥G14.10.107)' +6? =6,7720 Dòng điện tải định mức: Ï, = ue = an =32,49A_ ,suy ra dién cam Lop: #, U 1 X, _ 0,031
X, =oLy =e =—— L = Ober = 0,031 = Ly, = ®°` 2mf, 2.50 = = 99,10 °H = 0,1 mH "
Trang 321 CS eee (2xf,)*L, (2m.1000)210.10 c Tính điện trở theo (4.37): 3 R=2JE =2 jl22 T6, =20,5Q, chọn R= 15 9 c Van
Hình 4.24.a,b là kết quả mô phỏng của thí dụ 4.12, nếu so sánh với lọc LC kiểu đơn giản
sẽ thấy giá trị điện cảm lọc đã giảm đi nhiễu, tuy nhiên giá trị tụ điện ở đây tăng lên do dòng tải lớn
Việc sử dụng điện trở chống dao động sẽ dẫn đến tốn hao phụ trên điện trở này, do đó trong thực tế có thể phức tạp hoá sơ đỗ để giảm tổn hao này như trên hình 4.24c, d, e, trong đó =25,33.10ˆ*F, chọn C =22 HF sơ đồ hình 4.24e có tốn hao ít nhất (chỉ khoảng 25%) so với lọc kết hợp (hình 4.23) i điện áp ra tải sa điện ép t1ễi An ân, 200 |~ 200 Ƒ~: 0 ụ amo «a0 Ì- “400 “400 wot dòng qua điện cảm at dòng qua điện cảm m‡- 30 pe 0 ol 30} 2 “60! “60 tải so 8 ao dòng tải wo} off 0 ery ie a) tin 30 ra SHZ O28 O28 t4 Ty zon ôn b) tần số ra ð0Hz rẻe== tì y H h ' R R ‘ : uy Ura Ura t ; itd a c2 ' ' LÔ 1 S) Telia tr; 9)
Hình 4.24 Mạch lọc cho nghịch lưu độc lập điện áp điều khiển kiéu PWM
4.4.3 Phương pháp băm xung chọn lọc
Phương pháp PWM tuy cho phép giảm đáng kể phổ sóng hài ở điện áp ra, nhưng đòi hỏi van phải làm việc được với tần số đóng/ngất cao, tên thất chuyển mạch do đó cũng lớn, mặt khác biên độ sóng hài cơ bản bị giảm đi, tức là không tận dụng hết khả năng của nguồn E
Trang 33Để khắc phục các nhược điểm này, một số nghịch lưu chỉ để van hoạt động với số lượng
chuyển mạch rất thấp trong một khoảng dẫn, thường dưới 10 lần Phương pháp này sẽ phù hợp khi sử dụng các van không có khả năng làm việc ở tần số cao nhu GTO, IGCT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức) Hình 4.25 là một số cách thực hiện điều khiển van theo phương pháp này với điện áp ra hai cực tính và một cực tính
Với kiểu điều khiển ở hình 4.25a mỗi van chỉ thêm một lần chuyển mạch trong phạm vi một nửa chu kỳ, điện áp ra hai cực tính và phân tích cho thấy biên độ phổ sóng hải là: Un === Ceosqe-1) (438) pT gat 3.5 Hé sé sénghai: — HF(q)=.C)-.2984đ-1 U, = q(2cosa -1) (439) Bằng cách chọn góc œ có thể loại trừ được một thành phần sóng hải không mong muốn 3) “| Hình 4.25 Cải thiện điện dp ra bằng băm xung chọn lọc trong khoảng dẫn (điện áp ra dạng hai cực tính) bì
Thí du 4.13, Biét NLDL điện áp hoạt động theo đồ thị hình 4.25a, hay: 1 Tỉnh góc điều khiển để loại trừ sóng hải bậc ba
2 So sánh trị hiệu dụng sóng hài cơ bản ở giá trị điều khiển này với trường hợp chuyển mạch một lần 3 Tỉnh hệ số sóng hải thấp nhất Giải: 1 Để sóng hải bậc ba (q= 3) bị loại trừ khỏi điện áp ra của nghịch lưu cần thoả mãn điều kiện xuất phát từ (4.38):
2cos3z—l=0 = cos3gz=0,5 = 3a=60” = œ=20°
2 Theo (4.38) có biên độ sóng hải cơ bản khi q = 1 là:
Trang 340 - 4E(2cos20” —I) =4 Ê 08794 + AE U, (4 =D) =——Qeosa ~1) ñ
Khi sử đụng chuyển mạch một lần, theo (4.1) có biên độ sóng hải cơ bản bằng 4E/n, suy ra
trong trường hợp này điện áp nhận được là thấp hơn và bằng 88%
3 Theo (4.39) có hệ số ở tần số sóng hài thấp nhất là với q= 5 (vì bậc 3 đã bị loại bỏ):
ũ
2cos5.20 -l =0306
HF(q=5)=-————
tạ=3) 5(2cos20` —I)
Như vậy sóng hài bậc 5 bằng 31% sóng hải cơ bản
Khi trong phạm vi góc dẫn van 180° ma tăng số chuyển mạch lên thành 4 như hình 4.25b thì quan hệ sóng hải là: vu, (gore xa —2cosqa, + 2cosqa,) (4.39)
IT gts
Cũng bằng cách chon hai géc 0; va a cho phép loại trữ được hai thánh phần sóng hải, thí
dụ với œ; = 23,620 và ot) = 33,30° sé loại bỏ được sóng hài bậc 3 và 5 Tuy nhiên việc điều khiển với góc chính xác như vậy là khó thực hiện nên thường lấy các góc œ gần đúng với giá trị
tính toán sao cho thuận lợi thiết kế mạch điều khiển
Hình 4.26a là thí dụ về luật điều khiển để nhận điện áp ra một cực tính cũng với 4 lần chuyển mạch van, trong trường hợp này phổ sóng hài sẽ khác:
U„(q)==È 5 (1~cosqa +cosqa,) (4.40) eT gat 3,5 Với trường hợp này để loại trừ phần lớn sóng hài bậc 3 và 5 cần lấy gần đúng các góc điều khiển là œ¡= 18° va ot = 38°, phổ tần điện áp ra trướo bộ lọo phổ tấn điện áp sau bộ lọc LC đơn giỗn eo ” +0 ” 0 a 0 5Ô 168 20) 9%0 40g80 Mr #0 160 2Z0d), 350 440 5D Hr
Hình 4.26 Băm xung chọn lọc với diện áp ra mỘi cực tính
Trang 35Như vậy càng tăng số lần chuyển mạch càng loại bỏ thêm được sóng hài bậc cao, tuy nhiên vì van ứng dụng cho phương pháp này có thời gian khoá lớn, do đó NLĐL thường hoạt
động với số xung áp trong một nữa chu kỳ không vượt quá 10 Một số phân tích cho thấy số xung tôi wu trong một nửa chu kỳ bằng 6 (hình 4.26b) và phổ sóng hài trước lọc và sau lọc kiểu LC đơn giản ở hình 4.26c, đ) cho thấy chất lượng điện áp đạt yêu cầu Biên độ sóng hải cơ bản đạt tới 87% điện áp một chiều, tức là trị hiệu dụng đạt 62% điện áp nguồn E
Phương pháp này có thể dùng với các van họ thyristor và bộ lọc LC có thể tính như thí dụ sau đây
Thí dụ 4.14 Tính bộ lọc cho phương pháp băm 6 xung cho NLĐL điện áp với tải công
Trang 36® Điện áp đỉnh qua tụ: U;,;„„ = l,41U, =1,41.220 =311V 4.4.4 SPWM với nghịch lưu điện áp ba pha
Có thể áp dụng phương pháp SPWM đã để cập với loại nghịch lưu một pha cho loại ba pha, tuy nhiên nguồn ba pha đòi hỏi hệ điện áp ra phải đối xứng tốt trong phạm vi nhất định khi
tham số tải biến đổi cả về giá trị và độ mắt đối xứng pha, điều này thực hiện không đơn giản do
NLPL ba pha khi hoạt động thì các pha ảnh hưởng lẫn nhau Do đó trong thực tế ngoài sơ đỗ kinh điển dựa trên mạch một pha đã để cập ở mục 4.3 còn có khá nhiều biến dạng của sơ đồ
NLĐL điện áp ba pha khác nữa
4.4.4.1, Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha kinh điển với SPWM
Điểm cần lưu ý trước tiên là chỉ sử dụng một sóng mang cho cả ba sóng điều chế hình sin ba pha, do vậy tần số sóng mang phải là bội ba của tần số điều chế mới đảm bảo PWM của ba pha giống nhau đề giữ được điện áp các pha đối xứng,
1 Sơ đồ bán cầu
Sơ đỗ hình 4.27a sử dụng mạch bản cầu theo mạch một pha hình 4.5b do đó cần hai nguồn bằng nhau và có điểm giữa Vì nguồn một chiều tạo ra nhờ chỉnh lưu nên cũng cần hai tụ điện ở đầu vào, do đó sơ đỗ này có tên gọi là NLĐL điện áp ba pha có tụ chia nguồn
Cũng vỉ có điểm giữa nguồn mà các van của một pha (hai van thẳng hàng) hoạt động hoàn
tồn khơng bị ảnh hưởng bởi các pha khác, tức là-làm việc giống với sơ đồ một pha va do dé
Trang 37Ưu điểm của sơ đồ chính là ở sự độc lập của các pha nên không sợ hiện tượng mắt đối xứng giữa các pha tải Nhược điểm ở chỗ cần phải tạo hai nguồn luôn giữ được giá trị bằng nhau
với mọi sự biến động trong hệ thống là điều khó thực hiện và so với sơ đồ cầu thì van chịu điện
áp cao gấp đôi Mặt khác loại này chỉ có thể ứng dụng cho tải đấu sao khi dây trung tính tải đưa được ra ngoài
2 So dé cau ba pha kinh điển
Mạch cầu sử dụng sơ đồ hình 4.27b đã được để cập ở mục 4.3 và các đặc tính cơ bản đã
được xem xét ở đó, mạch hoạt động với tải đấu sao hay tam giác đều được Tuy nhiên khi chạy ở
phương pháp PWM sẽ làm thay đổi dạng điện áp ra so với trường hợp van đóng ngắt một lần
trong một chu kỳ Đề thị điện áp pha tải và điện áp dây tải thể hiện ở hình 4.27d cho thấy sự khác biệt đó khi so sánh với đồ thị hình 4.13
Phổ sóng hài của điện áp dây trên tải theo quan hệ với hệ số biên độ mạ và hệ số tần điều chế my thể hiện ở hình 4.28 cho thấy các bậc sóng hài bậc thấp nhất LOH là (my - 2)
Giá trị hiệu dụng của sóng hài co ban (q = ]) tỉ lệ thuận với hệ số biên độ và có giá trị lớn nhất khi mạ = 1 va bang: U,=0,612m,E =0,612E (4.41) Ung) THD E (%) y~|TED x q=1 03 Ñ 300 W4 7 et on mee "+ 2 ato 02 | 4m pit 2 4 "| 4ml mS] Ỷ 01 Z == 100 CEB E eos: 0 0 02 + 04 08 08 m, 0
Hình 4.28 Ph sóng hài điện áp dây của nghịch lưu áp ba pha sơ đồ cầu kinh điển
Thí đụ 4.15 Tính trị số nguồn một chiều E cho nghịch lưu điện áp hình 4.27b hoạt động
với mạ = 0,8 và m¿= 15 để điện áp pha ra tải có trị số hiệu dụng 220 VAC, tần số 50 Hz Xác định THD, HF, và biên độ sóng hài thấp nhất Tính sóng hãi bậc cao có giá trị lớn nhất
Giải:
« Theo (4.41) có: Um(mạ= 0,8) = 0,612mgE = 0,612.0,8E = 0,49E
Để điện áp pha có trị hiệu dụng 226V thì điện áp dây phải có giá trị hiệu dụng 380 V, vậy
nguồn một chiều cần có giá trị: E = Usmday/0,49 = 380/0,49 = 776 V
© Theo dé thj hinh 4.28 cd THD xfip xi 90%
Trang 38Sóng hải thấp nhất có tần số là: (my - 2).50 = (15-2).50 = 650 Hz; và cũng tra theo đề thi
hình 4.28 tương ứng mạ = 0,8 và sóng hai (me - 2) có quan hệ giữa giá trị hiệu dung sóng hài này
với điện áp nguồn E bằng 0,14; do đó theo (4.2) có:
U, O14.E
Hm == gape 0286 1 “3
từ đây có giá trị biên độ của sóng hải thấp nhất: Um(m¿- 2) = 1,41.0,286.380 = 153 V,
* Theo đồ thị hình 4.28 cho thấy sóng hải có trị số lớn nhất khi mẹ = 0,8 có bậc (2mr+ 1)
tương ứng tần số (2my + 1).50Hz = (1500 + 50)Hz và có tỉ lệ 0,185E, do đó biên độ hai sóng hải này đều bằng: 1,41,0,185.766 = 203 V
Kết quả mô phóng của thí dụ này ở hình 4.29 i bid h os a 760 460 — 080 a 20780 1480 Frequency (Hz)
Hình 4.29, a) Phé sóng hài điện áp dây; b) Điện dp pha của thí dụ 415 4.4.4.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha nhiều mức
Khi công suất tải rất lớn, để đảm bảo điện áp ra gần sin là khá phức tạp, mặt khác sự ảnh hưởng ngược lại của tải tới nguồn lưới sẽ đáng kể và không thể bỏ qua nhất là dạng dòng điện tải gây méo lưới, vì vậy cần có các phương pháp khác để thoả mãn đồng thời các yêu cầu kỹ thuật
Một trong những giải pháp là sử dụng bộ nghịch lưu nhiều mức, và một thí dụ về cách
Trang 39Vì tải công suất lớn thường lâm việc ở điện áp cao nên cách này đồng thời đạt các
hiệu quả:
ø Cách đầu nỗi tiếp các bộ nghịch lưu cho phép điện áp ra tải cao trong khi điện áp của từng
khối nghịch lưu cầu cơ sở lại thấp, do đó tránh được việc đấu nói tiếp các van mà thường
đòi hỏi phải có mạch chia áp phức tạp và khơng an toản
e© Với luật điều khiển phối hợp giữa các bộ nghịch lưu cơ sở của một pha cho phép tạo điện áp ra hình bậc thang nhiều cấp tiễn gần đến hình sin hơn
e Tân số chuyển mạch van không cần lớn thường dưới 1000 Hz nên phù hợp cho ứng dụng van ho thyristor
Các bộ chỉnh lưu điôt tạo nguồn áp cho NLĐL được cấp từ các cuộn thứ cấp lệch pha nhau đảm bảo đồng sơ cấp biến áp (dòng lưới) có độ méo thấp (hình 4.30b), đây cũng là ưu điểm vượt trội của sơ đồ này
Nguyên ý chung
Trong loại nghịch lưu này sử dụng điều chế PWM một cực tính để điện áp ra của mỗi bộ nghịch lưu cầu đưa ra tải được 3 mức điện áp +E; 0; -E Do đó khi đấu nối tiếp các bộ với nhau tức là điện áp ra thực hiện phép cộng điện áp tức thời của từng bộ sẽ được số bậc thang của điện áp ra tăng theo số bộ nghịch lưu cơ sở
Trang 40Như vậy nếu sử dụng 3 bộ cầu một pha giống nhau mắc nối tiếp sẽ có nghịch lưu 7 mức:
3E; 2E; E; 0; -E; -2E; -3E Dùng 4 bộ giếng nhau mắc nỗi tiếp có nghịch lưu 9 mức v.v
Có thể dùng các bộ cầu một pha với điện áp ra khác nhau để tạo điện áp nhiều mức với số
lượng bộ nghịch lưu cơ sở giảm đi, thí dụ nếu dùng hai bộ cầu mắc ni tiếp nhưng có mức điện
áp không bằng nhau: bộ HI có uy) = #E; bộ H2 có tụy = +3E thì có thể tạo được điện áp ra 9
mức là: 4E (= 3E + E); 3E; 2E ( =3E - E); E; 0;
Tuy nhiên trong hai cách trên thì sử dụng các bộ NL cầu hoàn toàn như nhau tiện lợi hơn
Phổ sóng hài được cải thiện đáng kể khi chỉ dùng đến nghịch lưu 7 mức có kết hợp việc
điều khiển dịch pha giữa các bộ cầu của một nhánh, hình 4.32 là thí dụ mỉnh họa cho trường hợp
này, sóng hài thấp nhất là ở bậc gần với 6my Đồ thị cho thấy điện áp pha là 7 mức, nhưng điện áp dây là 13 mức và dạng điện áp dây đã rất gần hinh sin, và chưa sử dụng lọc đã có THD chỉ
xấp xi 16%
Cũng có biện pháp cải thiện hơn điện áp ra khi các bộ hoạt động với điều chế PWM khác nhau về hệ số biên độ, việc điều khiến phức tạp hơn nhưng cho phép giảm THD xuống chỉ còn 11% khi vẫn đùng nghịch lưu 7 mức SPE 74 i 7" up (lO IIHTHET 1INTTHMI TIITTNI tim ay Un Ủy; Ï LnTTTTImI
Is, hy Sq - TIITTTTT TIIHTTTTT
/ uy LOCC, AICO arg MEM Hi Sa Su 4 + an Un Sa PI] Saf Ƒ "2 điện áp dây Sa Sy: u tí [, * & Et Ym g Se Saf Bok) on
Hình 4.32 Nghịch lưu dién dp 7 mức với 3 cầu một pha koạt động lệch pha nhau Nghịch lưu nhiều mức còn được xây dựng bởi nhiều sơ đổ khác và hiện đang được nghiên cứu phát triển