Đang tải... (xem toàn văn)
Më ®Çu Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương5 Biến tần – nghịch lưu 181 Chương5 NGHỊCH LƯU BIẾN TẦN 5 1 Khái niệm chung về nghịch lưu 5 1 1 Khái niệm Nghịch lưu là quá trình biến đổi đ.
Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương5 NGHỊCH LƯU - BIẾN TẦN Khái niệm chung nghịch lưu 5.1 5.1.1 Khái niệm: Nghịch lưu trình biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều pha ba pha theo sơ đồ khối chung sau: ĐK DC LC NL AC PT Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu 5.1.2 Phân loại: Nghịch lưu chia làm loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc nghịch lưu độc lập Trong nghịch lưu phụ thuộc nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện Nghịch lưu độc lập lại chia nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn dòng hay cộng hưởng vv Trong nghịch lưu độc lập nguồn áp có đặc điểm tích trữ lượng trung gian thường tụ điện Với nghịch lưu áp ln định điện áp có biên độ, tần số, góc pha thứ tự pha khơng phụ thuộc vào loại tải phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, điện áp thường có dạng hình chữ nhật cịn dịng điện phụ thuộc vào tải hình chữ nhật, hình cưa, hình sin, dạng hàm mũ Còn nghịch lưu độc lập nguồn dòng lượng dự trữ dạng từ trường ln định dịng điện có biên độ, tần số, góc pha thứ tự pha khơng phụ thuộc vào loại tải phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, dịng điện thường có dạng hình chữ nhật cịn điện áp phụ thuộc vào tải hình chữ nhật, hình cưa, hình sin, dạng hàm mũ Do đặc điểm công nghệ, khoa học nên giáo trình chúng tơi đề cập đến mạch nghịch lưu nguồn áp pha ba pha Chương5 Biến tần – nghịch lưu 181 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 5.2 Mạch nghịch lưu pha 5.2.1 Mạch nghịch lưu nguồn áp pha với tải trở a> Sơ đồ nguyên lý + E is D1 T1 C A R T4 D4 - ud D3 id D2 T3 B T2 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha Trong đó: - T1, T2, T3, T4 : Là IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều tải - D1, D2, D3, D4: Là diơt dẫn dịng tải trả lượng nguồn ni có tác dụng với tải có tính chất điện cảm - is: Là dòng điện cấp từ nguồn cho biến đổi Khi is > nguồn cung cấp lượng cho tải (các thyristor dẫn dòng) Khi is < tải trả lượng nguồn ni (các diơt dẫn dịng) - C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào dự ttrữ lượng dạng điện trường Chương5 Biến tần – nghịch lưu 182 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất b> Nguyên lý làm việc c> Dạng sóng dịng điện, điện Giả sử mạch làm việc chế độ áp mạch xá lập nên trước thời điểm t = T3 T4 dẫn cho dòng chạy qua E tải (dòng tải từ B A) Khi t = t cấp xung mở T1 T2, ngắt xung điều khiển T3 T4 bị khoá lại, iG1,2 dịng điện chảy theo chiều từ + E T1 A B T2 -E; ud = E, Khi t = t2 cấp xung điều khiển mở T3 T4 đồng thời ngắt xung vào t t1 t2 t3 iG3,4 t Ud(id) cực điều khiển T1 T2 , nên T1; T2 bị t khố lại, cịn T3 T4 dẫn cho dòng điện qua theo chiều từ + E T3 iT1;T2 B A T4 -E ; ud = -E t Các chu kỳ trình lặp lại iD1;D2 tương tự t iT3;T4 d> Các biểu thức dòng điện điện áp - Điện áp hiệu dụng tải iD3;D4 t 𝑇 𝑈𝑑 =√ ∫0 𝐸 𝑑𝑡 = 𝐸 𝑇 iS - Dòng hiệu dụng qua tải 𝐼𝑑 = t t 𝑈𝑑 𝑅 Chương5 Biến tần – nghịch lưu 183 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 5.2.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp pha với tải hỗn hợp R-L a> Sơ đồ nguyên lý + E c> Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch is D1 D3 T1 T3 ud C A D4 - R L id T4 D2 E t B T2 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu iG1,2 t iG3,4 nguồn áp pha t b> Nguyên lý làm việc Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập, Ut(it) t3 t4 trước thời điểm t = T3 T4 cho dòng chạy qua tải (dòng tải từ B A) t1 đảo chiều cách đột ngột tải có tính chất điện cảm Do dịng tải tiếp tục chảy theo chiều cũ theo mạch D1 E D2 tải suy giảm dần khơng, hai van D1 D2 dẫn dịng nên T1 T2 chưa kịp mở bị khoá lại Đến thời điểm t = t1, it = 0, D1 D2 bị khoá lại, T1 T2 mở dòng tải i > tăng dần chảy theo chiều từ A B Giai t2 iT1;T2 Khi t = cho xung mở T1 T2, T3 T4 bị khố lại, dịng tải lúc iS = -Im t t iD1;D2 t iT3;T4 t iD3;D4 t iS t đoạn từ t = đến t1 giai đoạn hoàn lượng Khi t = T/2 ( thời điểm t2) cho xung mở T3 T4 đồng thời ngắt xung vào cực điều khiển T1 T2 nên T1; T2 bị khoá lại Lúc Chương5 Biến tần – nghịch lưu 184 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất dòng tải chảy qua D3 D4 khiến cho T3 T4 chưa kịp mở bị khoá lại Khi t = t3, it = 0, lúc van T3 T4 mở cho dòng điện qua với it < chảy theo chiều từ B A Dòng tải it biến thiên theo quy luật hàm mũ hai giá trị Im -Im d> Phân tích biểu thức dịng điện điện áp tải - Điện áp tải chuỗi xung vuông khơng phụ thuộc vào đặc tính tải nên ta dễ dàng xác định giá trị hiệu dụng điện áp tải T U1 E dt E T0 - Với tải R+L dịng tải có dạng hàm mũ, muốn xác định biểu thức tính dịng điện tải ta vận dụng phương pháp tốn tử phương pháp sóng điều hịa * Phân tích theo phương pháp tốn tử Khi van T1 T2 dẫn cho dòng điện qua tải ta có phương trình vi phân Ldit Ri E dt di R E t i dt L L (PT1) Viết (PT1) dạng toán tử E L.P E PI ( P ) I m aI ( P ) L.P Im Im Im E a.E a.E I ( p) L.P( P a) ( P a) L.P( P a).a ( P a) R.P( P a) ( P a) PI ( P ) i (0) aI ( P ) Áp dụng bảng hàm ảnh - gốc toán tử ta xác định nghiệm PT1: it E e at I m e at R Chương5 Biến tần – nghịch lưu 185 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất * Phân tích phương pháp sóng điều hịa - Nhận thấy điện áp tải chuỗi xung chữ nhật đối xứng, hàm lẻ nên chu kỳ khai triển Fourier số hạng sóng sin: Ut sin(2k 1)t k 1 2k 4E Nếu lấy sóng điều hịa (bậc hay k=1) ta có Ut 4E Sint Lúc ta coi dạng sóng điện áp có dạng sin vng nên dịng điện tải xác định it Ut 4E Sin (t ) I m sin(t ) Zt R2 X Trong đó: X L. : Điện kháng tải X : Góc trễ pha dịng điện điện áp tải R arctg Sau xác định biểu thức dịng điện tải ta dễ dàng xác định giá trị trung bình, hiệu dụng dòng tải, dòng tiêu thụ từ nguồn cấp hay dòng qua van công suất 5.2.3 Mạch nghịch lưu nguồn dịng pha a> Sơ đồ ngun lý Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng pha sơ đồ cầu H b> Nguyên lý làm việc Chương5 Biến tần – nghịch lưu 186 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất Các tín hiệu điều khiển đưa vào cặp Thyritstor T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3 ,T4 góc 180 độ điện Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn (Ld = ∞), dịng điện đầu vào id san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu nguồn dòng dạng dịng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vng 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 (+) bên trái cực (-) bên phải Khi tụ C nạp đầy, dịng qua tụ giảm khơng Do i = ic = it =Id = số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ sau dịng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo q trình phóng điện tụ C từ cực (+) cực (-) Dịng phóng ngược chiều với dòng qua T1 T2 làm choT1 T2 bị khố lại Q trình chuyển mạch gần tức thời Sau tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) bên phải cực (-) bên trái Dòng nghịch lưu i = id = -Id (đã đổi dấu) Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2 T3,T4 bị khố lại q trình lặp lại trước Như chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho Thyritstor Tại thời điểm t1 , mở T3 T4 T1 T2 bị khố lại điện áp ngược tụ C đặt vào Khoảng thời gian trì diện áp ngược (t1-t’1 ) cần thiết để trì qúa trình khố phục hồi tính điều khiển van t’1- t1 = tk ≥ toff thời gian khoá Thyritstor thời gian phục hồi tính điều khiển β = ω.tk góc khố nghịch lưu Chương5 Biến tần – nghịch lưu 187 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất c> Dạng sóng điện áp, dịng điện mạch Hình 5.4: Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch nghịch lưu nguồn dòng pha dùng sơ đồ cầu H Chương5 Biến tần – nghịch lưu 188 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 5.3 Mạch nghịch lưu ba pha 5.3.1 Mạch nghịch lưu nguồn dòng ba pha dải điều chỉnh hẹp a> Sơ đồ nguyên lý + T1 Ld T3 C1 E C3 ZA - + T5 ZB ZC C5 + - T4 - T6 T2 Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng pha dải điều chỉnh hẹp b> Nguyên lý làm việc Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha sử dụng phổ biến cơng suất lớn đáp ứng ứng dụng cơng nghiệp Nghịch lưu dịng ba pha sử dụng thyristor Do khố thyristor cần phải có tụ chuyển mạch (c1, c3, c5) mạch nghịch lưu dịng nên nguồn đầu vào phải nguồn dịng coi Ld = ∞ Để đảm bảo khoá thyristor tạo nên hệ thống dòng điện ba pha đối xứng luật dẫn điện tuân theo đồ thị hình vẽ Qua đồ thị ta thấy van động lực dẫn khoảng thời gian λ =120 độ điện Quá trình chuyển mạch diễn van nhóm Xét khoảng thời gian ÷ t1 : lúc T1 T6 dẫn Dòng qua T1, Za, Zb T6 Đồng thời có dịng nạp cho tụ C1 qua T1- C1 – T6 Khi tụ C1 nạp đầy dịng qua tụ khơng Tụ C1 nạp với dấu điện áp ( hình 5.6) chuẩn bị cho q trình chuyển mạch khố T1 Tại thời điểm Chương5 Biến tần – nghịch lưu 189 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất t = t2, mở T3, điện áp ngược tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại Tương tự T2 T3 dẫn ( t2 ÷ t3 ) tụ C3 nạp với dấu hiệu điện áp để chuẩn bị khoá T3 Đối với nhóm catơt chung T2, T4, T6 q trình chuyển mạch diễn Ví dụ tụ C5 nạp khoảng t1 t ( T1 T2 dẫn) với dấu đảm bảo để khoá T4 mở T2 thời điểm t3 Theo phân tích ta thấy Do tải mắc song song với tụ chuyển mạch nên gữa hai tụ ln có trao đổi lượng với nên gữa tải tụ ln có trao đổi lượng, ảnh hưởng làm cho đường đặc tính ngồi dốc hạn chế vùng làm việc nghịch lưu dòng Để làm giảm ảnh hưởng tải đến q trình nạp tụ C, ta sử dụng điơt ngăn cách ( D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 ) Việc sử dụng điôt đòi hỏi phải chia tụ chuyển mạch làm hai nhóm: Nhóm C1 , C3 , C5 dùng để chuyển mạch cho van T1 , T3 , T5 : cịn nhóm C , C , C dùng để chuyển mạch cho van T2 , T4 , T6 Nghịch lưu dịng khơng tiêu thụ cơng suất phản kháng mà cịn phát cơng suất tác dụng vì: dịng id khơng đổi hướng, dấu điện áp hai Chương5 Biến tần – nghịch lưu 190 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất đầu nguồn đảo đấu Điều có nghĩa, nghịch lưu làm việc với tải động xoay chiều động thực hãm tái sinh c>Dạng sóng tín hiệu điều khiển dòng điện tải ba pha E t IG1 t IG2 t IG3 t IG4 t IG5 t IG6 t iA λ T1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t T4 iB T3 t T6 T6 iC T5 t T2 Hình 5.6: Dạng sóng dịng điện qua pha mạch nghịch lưu nguồn dòng pha dải điều chỉnh hẹp Chương5 Biến tần – nghịch lưu 191 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 5.3.2 Mạch chỉnh lưu nguồn dòng ba pha chuyển mạch tập chung a> Sơ đồ nguyên lý Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng pha chuyển mạch tập chung b>Giới thiệu sơ đồ - Ud kết hợp với Ld có điện cảm đủ lớn để tạo nguồn dòng điện Id - Cầu thyritstor T1-T6 đóng vai trị nghịch lưu nguồn dịng chiều thành nguồn dịng xoay chiều pha có chế độ dẫn 120o điện - Để đảm bảo chuyển mạch chắn cho van ta chọn Ed>Ud Ed nguồn điện áp kết hợp với van Tn1-Tn4 Rn+Cn để tạo điện áp có cức tích thích hợp khóa van T1- T6 thông qua van phụ Tp1-Tp6 + Nếu Tn1 Tn2 mở Un 0(+ phía phải – phía trái) +Un>0: Nếu TP1 Tp7 mở khóa T1 Nếu TP3 Tp7 mở khóa T3 Nếu TP5 Tp7 mở khóa T5 +Un < 0: Nếu TP4 Tp8 mở khóa T4 Nếu TP6 Tp8 mở khóa T6 Nếu TP2 Tp8 mở khóa T2 Chương5 Biến tần – nghịch lưu 192 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất d> Giản đồ tín hiệu điều khiển dạng sóng dòng điện tải ba pha E t iTP1-2 t iTP3-4 t IG1-TP5-TP7 t IG2-TP6-TP8 t IG3-TP1-TP7 t IG4-TP2-TP8 t IG5-TP3-TP7 t IG6-TP6-TP8 t iA λ T1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t T4 iB T3 t T6 T6 iC T5 t T2 Chương5 Biến tần – nghịch lưu 193 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 5.3.3 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha a> Sơ đồ nguyên lý +E D1 T1 D3 D5 T3 T5 C D4 T4 D6 T2 T6 T2 - ZA ZB ZC Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha b> Nguyên lý làm việc * Giả thiết phân tích sơ đồ - Để thuận tiện mô tả nguyên lý ta giả thiết nghiên cứu : + Van lý tưởng dẫn điện áp van không; khóa dịng rị khơng + Nguồn cung cấp có nơi trở nhỏ có khả dẫn điện theo hai chiều + Các van động lực từ T1 đến T6 làm việc với độ dẫn điện 180 độ điện + Tải ba pha đối xứng * Giới thiệu khái quát sơ đồ - Các đioe từ D1 đến D6 làm chức trả lượng nguồn Tụ điện C đảm bảo nguồn áp tiếp nhận lượng phản kháng từ tải - Các van phải dẫn tuân theo luật giản đồ dòng điện, điện áp Như van T1 T4 dẫn lệch góc 1800 để tạo nên pha A T3 T6 dẫn lệch góc 1800 để tạo nên pha B T2 T5 dẫn lệch góc 1800 để tạo nên phaC Chương5 Biến tần – nghịch lưu 194 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất * Phân tích sơ đồ - Trong khoảng t1, T1; T6; T5 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình vẽ ta thấy UZA = E/3 + E ZC ZA ZB - - khoảng t1 t2, T1; T6; T2 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình vẽ ta thấy UZA = 2E/3 E ZA ZB ZC - - Trong khoảng t2 t3, T1; T2; T3 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình vẽ ta thấy UZA = E/3 + E ZB ZA ZC - Phân tích tương tự vẽ điện áp pha A có dạng hình sau Chương5 Biến tần – nghịch lưu 195 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất b> Giản đồ tín hiệu điều khiển dạng sóng điện áp tải ba pha E IG1 t1 λ t2 t3 t4 t5 t6 IG2 t7 t8 t9 t t IG3 t t IG4 IG5 t t IG6 t UA 2/3E 1/3E t UB 2/3E 1/3E t UC 2/3E 1/3E t Chương5 Biến tần – nghịch lưu 196 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất d> Các biểu thức mạch - Trị hiệu dụng điện áp pha xác định T T T6 2 2 E 2E E U pha E dt dt dt T 0 T T Nếu coi điện áp dạng gần sin ta viết biểu thức điện áp pha A: U pha E sin t Với giả thiết ta coi dịng điện có dạng gần sin dịng điện pha tải tính đơn giản theo biểu thức: I pha U pha Z 2.E sin t R X Với phương pháp kết tính tốn cho sai số khoảng 10 đến 20%, kết đơi chấp nhận hệ số dự chữa chọn van bán dẫn công suất thường lớn Tuy nhiên thực tế để xác ta phân tích dịng điện theo bậc điện áp Ứng với bậc phương trình vi phân sau ta lấy giá trị cuối bậc làm sơ kiện bậc kế tiếp: Cụ thể bậc chia theo khoảng sau: - Trong khoảng < t < viết biểu thức giải tích dịng điện tải + t = i = -Im + t = T/2 i = Im b> Vẽ dạng sóng điện áp tải, dịng điện qua tải, dòng điện qua van, dòng điện qua nguồn cung cấp c> Tính dịng trung bình qua GTO diode Bài 5.3 Cho sơ đồ biến tần nguồn áp pha sử dụng GTO làm việc với tải R+L cặp vàn V1, V2cùng làm việc cịn V3 V4 Biết E = 10V; L = 1mH; R = ; f = 100Hz a> viết biểu thức giải tích dịng điện tải + t = i = -Im + t = T/2 i = Im b> Vẽ dạng sóng điện áp tải, dịng điện qua tải, dòng điện qua van, dòng điện qua nguồn cung cấp c> Tính dịng trung bình qua GTO diode Chương5 Biến tần – nghịch lưu 205 ... ω.tk góc khố nghịch lưu Chương5 Biến tần – nghịch lưu 187 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất c> Dạng sóng điện áp, dịng điện mạch Hình 5.4: Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch nghịch lưu... diơt dẫn dịng) - C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào dự ttrữ lượng dạng điện trường Chương5 Biến tần – nghịch lưu 182 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất b> Nguyên lý...
