Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG MÔÛ ÑAÀU CAÙC HEÄ THÖÙC VAØ KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN TRÒ TRUNG BÌNH CUÛA MOÄT ÑAÏI LÖÔÏNG Goïi i (t) laø haøm bieán thieân tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi chu kyø Tp Trò tru.Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG MÔÛ ÑAÀU CAÙC HEÄ THÖÙC VAØ KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN TRÒ TRUNG BÌNH CUÛA MOÄT ÑAÏI LÖÔÏNG Goïi i (t) laø haøm bieán thieân tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi chu kyø Tp Trò tru.Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG MÔÛ ÑAÀU CAÙC HEÄ THÖÙC VAØ KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN TRÒ TRUNG BÌNH CUÛA MOÄT ÑAÏI LÖÔÏNG Goïi i (t) laø haøm bieán thieân tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi chu kyø Tp Trò tru.Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG MÔÛ ÑAÀU CAÙC HEÄ THÖÙC VAØ KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN TRÒ TRUNG BÌNH CUÛA MOÄT ÑAÏI LÖÔÏNG Goïi i (t) laø haøm bieán thieân tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi chu kyø Tp Trò tru.
Điện tử công suất CHƯƠNG MỞ ĐẦU: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRỊ TRUNG BÌNH CỦA MỘT ĐẠI LƯNG: Gọi i (t) hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Trị trung bình đại lượng i, viết tắt IAV xác định theo hệ thức: I AV = Tp t +Tp ∫ i( t ).dt t0 Với t0 thời điểm đầu chu kỳ lấy tích phân Ta thường hay gặp đại lượng trị trung bình biểu diễn với số Id (Direct … chiều) IAV (Average trị trung bình), ví dụ điện áp trung bình UAV, dòng điện trung bình IAV Ví dụ 0-1 Xét trình dòng điện hình vẽ H0.1 , trị trung bình dòng điện cho hệ thức: Id = 0.5 0.5 0.3 0 ∫ i ( t ).dt = 0.5 ∫10.dt = [ A ] Trong nhiều trường hợp, thực tích phân theo hàm biến thời gian phức tạp thực tích phân theo biến góc X với X cho hệ thức: X=ω.t với ω tần số góc xác định Khi ấy, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức: Id = Tp t +Tp X + Xp t0 X0 ∫ i ( t ).dt = Xp ∫ i( X ).dX Với X0==ω.t0; Xp=ω.Tp; X=ω.t; dX==d(ω.t) Ví dụ 0-2 : 0-1 Điện tử công suất Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng u=Um.⎢sin(ω.t) ⎢; với Um=220 [V]; ω=314[rad/s] Giải: Dễ dàng thấy rằng, chu kỳ dạng áp Tp=0.01[s] Đặt X=314.t; Xp=314.0 ,01=π[rad] Ta coù: Ud = Xp X + Xp ∫ u( X ).dX = X0 π 220 sin X dX = 198 [V ] π ∫ Các trường hợp thường gặp: Tải R: Quan hệ điện áp dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi: uR=R.iR Lấy trị trung bình hai vế ta có: URAV=R.IRAV Tải L: Ta có: uL = L di L dt Ở chế độ xác lập iL(t0)=iL(t0+Tp), trị trung bình điện áp L xác định cách lấy tích phân hai vế hệ thức thời hian (t0.t0+Tp) Kết thu được: ULAV=0 Tải RL: Tương tự, ta có: ut = R i t + L di t dt Trị trung bình áp: UtAV=R.ItAV+ULAV=R.ItAV Từ đó: ItAV=UtAV/R 0-2 Điện tử công suất Trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà phụ thuộc vào R điện áp ut Taûi RLE: di t +E dt ut = R i t + L Với E sức điện động không đổi: E=const Kết quả: UtAV=R.ItAV+E hay ItAV=(UtAV-E)/R CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH Công suất tức thời tải tiêu thụ xác định tích điện áp dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p( t ) = u( t ).i ( t ) Công suất trung bình xác định cách áp dụng cách tính trung bình vào đại lương công suất tức thời p(t), tức là: PAV = TP TP ∫ p( t ).dt = TP TP ∫ u( t ).i( t ).dt theo biến góc X=wt: PAV = XP XP ∫ p( X ).dX = XP XP ∫ u( X ).i( X ).dX ; X P = ω.TP Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian i=const=IAV , công suất trung bình qua tải tích điện áp trung bình dòng điện: PAV=UAV.I=UAV.IAV Trường hợp điện áp đặt tải không đổi theo thời gian u=const=UAV, công suất trung bình tải tích điện áp dòng điện trung bình: PAV=U.IAV=UAV.IAV Các trường hợp đặc biệt: Tải R: PAV = TP PAV = R TP ∫ u R ( t ).i R ( t ).dt = TP TP ∫i R ( t ).dt TP TP ∫ R.i R ( t ).dt = R.I Rrms Tụ điện cuộn kháng phần tử có khả dự trữ không tiêu hao công suất Dễ dàng dẫn giải hệ thức cho tải L C sau Tải L: PAV=0 Tải C: PAV=0 Ví dụ Giả sử, ta có nguồn áp cho trường hợp ví dụ 0-2, tải RLE nối tiếp Giả sử tải có R=1Ω, L vô lớn E=50V Tính trị trung bình dòng qua tải công suất qua tải? Giải: UtAV=198 V (xem ví dụ 0.2) 0-3 Điện tử công suất Dòng qua tải trung bình: ItAV=(198-50)/1=148A Công suất trung bình qua tải: L lớn vô nên dòng qua tải không đổi suốt chu kỳ Từ đó: it=ItAV=148A Ta áp dụng trường hợp công thức: Pt=UtAV.ItAV=198.148= 29304W=29,3kW TRỊ HIỆU DỤNG CỦA MỘT ĐẠI LƯNG Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp với chu kỳ theo góc Xp= ω Tp Trị hiệu dụng đại lượng i tính theo công thức: IRMS t +Tp = Tp ∫i X + Xp Xp dt = t0 ∫i dX X0 Chỉ số RMS Root Mean Square… có nghóa trị hiệu dụng Ví dụ 0-4 Cho điện áp dạng u = U m sin( 314.t ) = 220 sin( 314.t )[V ] a.Tính trị hiệu dụng điện áp ? Cho hàm u1 u2 với tính chất sau: ⎧u ; u ≥ ; u1 = ⎨ ⎩0 ; u < ⎧ u ; u ≥0 u2 = ⎨ ⎩− u ; u < b.Xaùc định trị trung bình hiệu dụng điện áp u1 u2 nêu Hướng dẫn: a Chu kỳ điện áp u 2π [rad] Trị hiệu dụng điện áp cho hệ thức: t +Tp Tp U RMS = ∫ u dt = t0 2π 2π ∫ (U m sin X ) dX Lấy tích phân ta thu kết quả: U RMS = Um = 220 [V ] b U1AV = π U 220 U m sin x dx = m = = 99V 2π π π ∫ U AV = π U 2 U m sin x dx = m = 220 = 198V π π π ∫ U1rms = 2π U1rms = U U rms = π π ∫ (U m sin x ) dx = U π π ⎛1 − cos x ⎞ ⎛1 sin x ⎞ ⎜ ⎟.dx = U ⎜ x− ⎟ 2 π ⎠0 π ⎝ ⎠ ⎝ ∫ π 220 = = 155 ,56V π2 π ∫ (U m sin x ) dx π π ⎛1 − cos x ⎞ ⎛1 sin x ⎞ = U ⎜ ⎟.dx = U ⎜ x− ⎟ 2 π ⎠0 π ⎝ ⎠ ⎝ ∫ 0-4 Điện tử công suất π = U = 220V π U rms = U Ví dụ 0-5 Cho hàm tuần hòan biểu diễn điện áp tải u chu kỳ T sau: ⎧U u=⎨ m ⎩ ; ≤ t < γ.T ; ; γ.T ≤ t ≤ T ≤ γ ≤1 Vẽ dạng sóng điện áp u xác định trị hiệu dụng điện áp tải Hướng dẫn: U rms = T T ∫ u ( t ).dt = T ⎛ γT ⎞ 1⎜ ⎟ 2 U dt dt + m ⎟⎟ = U m γ T ⎜⎜ T γ ⎝ ⎠ ∫ ∫ HỆ SỐ CÔNG SUẤT: Hệ số công suất λ PF (Power Factor) tải định nghóa tỉ số công suất tiêu thụ P công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải λ = PF = P S Trong trường hợp đặc biệt nguồn áp dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử R,L,C không đổi sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải có dạng sin tần số nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn ϕ Ta có hệä thức tính hệ số công suất nhö sau: P=m.U.I.cosϕ S=m.U.I λ= P = cosϕ S Trong đó: U,I trị hiệu dụng điện áp dòng điện qua tải; m tổng số pha Các biến đổi công suất thiết bị có tính phi tuyến Giả sử nguồn điện áp cung cấp có dạng sin dòng điện qua có dạng tuần hoàn không sin Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta tách dòng điện thành thành phần sóng hài I(1) tần số với nguồn áp sóng hài bậc cao I(2), I(3) , Dễ dàng thấy rằng, sóng điện áp nguồn sóng hài dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ tải: P=P1=m.U.I(1).cosϕ1 ϕ1 góc lệch pha điện áp dòng điện sóng hài Các sóng hài lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo Ta có: 0-5 Điện tử công suất S = (m.U I ) = m U ( I(21) + I(22 ) + I(23 ) + ) S2 S ∞ ∑ = m U I(21) + m U 2 = P + Q1 + D j =2 I(2j ) ∞ ∑I = m U I(21) cos ϕ1 + m U I(21) sin ϕ1 + m U j =2 ( j) với P=m.U.I(1).cosϕ1 công suất tiêu thụ tải Q1=m.U.I(1).sinϕ1 công suất phản kháng (công suất ảo sóng hài dòng điện tạo nên) ∞ ∑I D = m U j =2 ( j) công suất biến dạng (công suất ảo sóng hài bậc cao dòng điện tạo nên) Khái niệm biến dạng (deformative) xuất từ ý nghóa tác dụng gây biến dạng điện áp nguồn thành phần dòng điện vào lưới điện chúng tạo nên sụt áp tổng không sin trở kháng nguồn, từ sóng điện áp thực tế cấp cho tải bị méo dạng Từ đó, ta rút biểu thức tính hệ số công suất theo thành phần công suất sau: λ = PF = P = S P P + Q12 + D Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể: - giảm Q1 -công suất ảo sóng hài bản, tức thực bù công suất phản kháng Các biện pháp thực bù tụ điện, bù máy điện đồng kích từ dư dùng thiết bị đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator); -giảm D -công suất ảo sóng hài bậc cao Tuỳ theo phạm vi hoạt động dãy tần số sóng hài bậc cao bù, ta phân biệt biện pháp sau đây: * lọc sóng hài: áp dụng cho sóng hài bậc cao lớn sóng hài đến giá trị khoảng kHz Có thể sử dụng mạch lọc cộng hưởng LC Ví dụ dùng mạch lọc LC cộng hưởng với bậc 5,7,11 mắc song song với nguồn cần lọc * khử nhiễu: áp dụng cho sóng bậc cao có tần số khoảng kHz đến hàng Mhz Các sóng tần số cao phát sinh từ mạch điều khiển phát sóng với tần số cao trình đóng ngắt linh kiện công suất, sóng hoạt động mạch điện có khả phát sóng điện từ lan truyền vào môi trường tạo nên tác dụng gây nhiễu cho thiết bị xung quanh, chí gây nhiễu cho thân mạch điều khiển thiết bị công suất Các thiết bị biến đổi công suất thường phải trang bị hệ thống khử nhiễu nghiêm ngặt Một biện pháp sử dụng dùng tụ, dùng bọc kim dây dẫn dùng lưới chống nhiễu cho thiết bị Ngoài ra, biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau: λ = PF = I (1 ) I cos ϕ1 PHÂN TÍCH FOURIER CHO ĐẠI LƯNG TUẦN HOÀN KHÔNG SIN Đại lượng i tuần hoàn, chu kỳ Tp không sin triển khai thành tổng đại lượng dạng sin theo hệ thức: 0-6 Điện tử công suất ∞ ∑A i = I AV + n =1 2π với I AV = An = π n sin( n X ) +B n cos( n.X ) 2π ∫ i dx 2π ∫ π i sin( n.X ).dX ; B n = 2π ∫ i cos( n.X ).dX Biên độ sóng hài bậc n đại lượng i xác định theo hệ thức: An2 + B n2 I ( n )m = Sử dụng hệ thức biên độ vừa tìm được, đại lượng i viết lại dạng: i = I AV + ∞ ∑I ( n ) m sin( n.X n =1 − ϕn ) với ϕ n xác định theo hàm: ϕn = arctan Bn An Trị trung bình đại lượng i hệ thức IAV Trị hiệu dụng đại lượng i cho hệ thức: I rms = I AV + ∞ ∑ n =1 I (2n ) = I AV + ∞ ∑ I (2n ) m n =1 Goïi u, i p điện áp, dòng điện công suất với u,i có dạng tuần hoàn không sin Ta có: u = U AV + i = I AV + ∞ ∑U n =1 ∞ ∑I ( n ) m sin( n.X ( n ) m sin( n.X n =1 − ϕ n −U ) − ϕn _ I ) Công suất trung bình: ∞ P = U AV I AV + ∑U P = U AV I AV + ∑ n =1 ∞ ( n ) I ( n ) cos( ϕ n _ U U ( n ) m I ( n ) m n =1 − ϕn _ I ) cos( ϕ n _ U − ϕ n _ I ) Neáu nguồn điện áp cung cấp cho tải RL, quan hệ thành phần sóng hài bậc n điện áp U(n) dòng điện I(n) liên hệ theo hệ thức: I ( n )m = U ( n )m Z (n) hoaëc: I ( n ) = = U(n) Z (n) U ( n )m R = + ( n.ω.L ) U(n) R + ( n.ω.L ) Trong trường hợp điện áp dạng sin dòng điện không sin HỆ SỐ MÉO DẠNG 0-7 Điện tử công suất (Distortion Factor-DF) Được định nghóa tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài trị hiệu dụng đại lượng dòng điện: DF = I (1 ) I Quan hệ hệ số công suất hệ số méo dạng liên hệ theo hệ thức: PF=DF.cos ϕ1 ĐỘ MÉO DẠNG TỔNG DO SÓNG HÀI (Total Harmonic Distortion-THD): đại lượng dùng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (2,3, ) xuất nguồn điện, cho hệ thức: ∞ THD I = ∑I j ≠1 ( j) I (1 ) Trong trường hợp đại lượng I không chứa thành phần dc, ta có: ∞ THD I = ∑I j =2 ( j) I (1 ) = I − I (21 ) I (1 ) Trong đó, I(j) trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 I(1) trị hiệu dụng thành phần hài dòng điện Quan hệ DF THD: DF = 1 + (THD ) Baøi tập: 0.1 Điện áp đặt tải điện trở 10 Ω có hàm biểu diễn u = 170 sin(100 π.t )[V ] Hãy xác định: a hàm công suất tức thời tải b công suất tức thời lớn c công suất trung bình tải 0.2 Điện áp dòng điện tải hàm tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T=100ms < t < 70 ms < t < 50 ms ⎧5V ; ⎧ 0; ;i = ⎨ u=⎨ ⎩0V ; 70 ms < t < 100 ms ⎩4 A; 50 ms < t < 100 ms Xác định: công suất tức thời, công suất trung bình lượng tiêu thụ tải chu kỳ 0-8 Điện tử công suất 0.3 Xác định công suất trung bình tải Cho biết điện áp tải không đổi u=12VDC dòng điện qua tải tuần hoàn có hàm biểu diễn chu kỳ T=100ms < t < 50 ms ⎧ 0; ⎩4 A; 50 ms < t < 100 ms sau: i = ⎨ 0.4 Dòng điện qua phần tử hai cực có dạng i = 20 sin(100 π.t )[ A ] I Hãy xác định công suất tiêu thụ trung bình phần tử phần tử hai cực là: a điện trở Ω b cuộn dây có cảm kháng 10mH c sức điện động E=6V 0.5 Dòng điện i = + 20 sin(100 π.t )[ A ] qua mạch RLE mắc nối tiếp Xác định công suất tiêu thụ trung bình phần tử R,L E, cho biết R=3 Ω , L=10mH E=12V 0.6 Một lò điện trở công suất 1.500W sử dụng nguồn u = 220 sin(100 π.t )[V ] Nếu điều khiển công suất lò điện theo chu kỳ 12 phút với trình tự đóng điện phút ngắt điện phút Hãy xác định: a công suất tức thời cực đại b công suất tiêu thụ trung bình c lượng tiêu thụ dạng nhiệt chu kỳ 0.7 Xác định điện áp hiệu dụng dòng điện hiệu dụng biết hàm biểu diễn chúng tuần hoàn theo chu kỳ T=100ms có dạng: < t < 70 ms < t < 50 ms ⎧5V ; ⎧ 0; ;i = ⎨ u=⎨ ⎩0V ; 70 ms < t < 100 ms ⎩4 A; 50 ms < t < 100 ms 0.8 Hãy xác định trị hiệu dụng điện áp, dòng điện công suất tiêu thụ trung bình tải cho biết trình điện áp dòng điện có dạng: u = 2.5 + 10 cos(100 πt ) + cos( 200 π.t + π )[V ] , i = 1.5 + cos(100 πt ) + 1.1 cos( 200 π.t + π ) + 1.5 cos( 300 π.t + π )[ A ] 0.9 Cho dòng điện i = 1.5 + cos(100 πt ) + 1.1 cos( 200 π.t + π )[ A ] qua tải gồm R-C mắc song song với R=100 Ω C=50 µF Xác định công suất tiêu thụ phần tử tải 0.10 Cho điện áp u = 2.5 + 10 cos(100 πt ) + cos( 200 π.t + π )[V ] đặt tải RLE mắc nối tiếp với R=4 Ω , L=10mH E=12V Xác định công suất tiêu thụ phần tử 0.11 Điện áp dòng điện qua tải biểu diễn hàm sau: u = 20 + ∞ ∑ n =1 20 cos( nπt )[V ] ; i = + n ∞ ∑n n =1 cos( nπt )[ A ] xác định công suất trung bình tải (chính xác đến n=4) 0.12 Cho nguồn u = 20 + ∞ 20 ∑ n sin(100 nπt )[V ] cung cấp tải RLE nối tiếp với n =1 R=20 Ω , L=250mH E=36V Xác định công suất trung bình phần tử tải 0-9 Điện tử công suất 0-10 Điện tử công suất 5.7 TÁC DỤNG CỦA SÓNG HÀI BẬC CAO nh hưởng sóng hài bậc cao minh họa qua ví dụ tải động xoay chiều Khi động cấp nguồn không sin, tổn hao phát sinh lớn so với trường hợp nguồn dạng sin, gây tác dụng sóng hài bậc cao áp nguồn Tổn hao cuộn stator rotor thành phần hài tăng lên tác dụng sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện từ hóa Hiệu ứng bề mặt làm tăng điện trở mạch rotor Tổn hao cuộn rotor nguyên nhân chủ yếu làm giảm hiệu suất động không đồng mắc vào nguồn điện áp không sin Ngoài ra, phận sắt có tổn hao tăng lên tác động nguồn không sin, tổn hao bao gồm tổn hao dòng điện xoáy tổn hao mạch từ trễ Các hài bậc cao tạo nên thành phần moment phụ bao gồm moment dạng không xung moment dạng xung Moment dạng không xung có độ lớn không đáng kể so với moment hài Moment dạng không xung tạo thành tương tác hài bậc từ thông qua khe hở không khí dòng rotor Moment dạng xung tác dụng hài khác bậc từ thông dòng điện rotor tạo nên Trị trung bình moment không Thành phần moment xung hài từ thông hài bậc cao dòng rotor có tác dụng chủ yếu Các moment xung tác động làm thay đổi vận tốc tức thời động Ở vận tốc thấp, động chạy không êm moment xung làm giới hạn phạm vi điều chỉnh vận tốc động Moment xung gây hỏng hóc phận khí truyền động động chạy vận tốc thấp moment xung có tần số gần với tần số cộng hưởng phận khí Do đó, thành phần sóng hài áp cần hạn chế đến mức tối đa Điều thực cách chọn cấu hình nghịch lưu thích hợp, kỹ thuật điều chế độ rộng xung, tăng số pha ngõ Biên độ sóng hài xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier điện aùp ngoõ u t = U tAV + ak = π U tAV = ∞ ∑ k =1 a k sin (k x ) + 2π ∫ u sin (k x )dx ; b 2π t k ∞ ∑b k =1 = π k cos (k x ) 2π ∫ u cos (k x )dx t 2π ∫ u dx t Biên độ sóng hài bậc k: Ak ( Ak = ak + bk ) 2 Thông thường dạng áp tải có tính chất hàm lẻ, đó: bk = , Ak = ak Biên độ sóng hài Ut(1)m: U t (1 )m = A1 = π 2π ∫ u sin xdx t biên độ sóng hài bậc k: U t (K )m = A k = π 2π ∫ u sin (k x )dx t 5-69 Điện tử công suất 5.8 BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đầu ng dụng: Bộ biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay đổi tần số có thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha, với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động ba pha Bộ biến tần sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhiệt điện Bộ biến tần trường hợp cung cấp lượng cho lò cảm ứng PHÂN LOẠI 1/- Theo tổng số pha, biến tần a/- Một pha b/- Ba pha c/- m pha 2/- Theo cấu trúc mạch điện, biến tần a/- Gián tiếp (mạch chứa khâu trung gian chiều), ta phân biệt biến tần dùng nghịch lưu áp biên tần dùng nghịch lưu dòng với trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn với trình chuyển mạch cưỡng b/- Trực tiếp (không có mạch trung gian chiều)- gọi cycloconvertor Bộ biến tần trực tiếp hoạt động - Với trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài: tín hiệu điều khiển có dạng hình thang dạng điều hòa: - Vói trình chuyển mạch cưỡng (ít gặp) Trường hợp trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn chia làm hai trường hợp: trường hợp với dòng điện cân trường hợp dòng điện cân 5.8.1 - BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Cấu tạo biến tần gián tiếp gồm có chỉnh lưu với chức chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ngõ vào nghịch lưu thực việc chuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp dòng xoay chiều ngõ Bằng cấu trúc trên, ta điều khiển tần số cách độc lập không phụ thuộc tần số vào Các biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa chúng lên đến vài MW tần số tối đa khoảng vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần) * Bộ biến tần áp gián tiếp Cấu trúc mạch vẽ hình H5.56 5-70 Điện tử công suất Mạch trung gian chiều: có chứa tụ lọc với điện dung lớn Cf (khỏang vài ngàn µ F) mắc vào ngõ vào nghịch lưu Điều giúp cho mạch trung gian hoạt động nguồn điện áp Tụ điên với cuộn cảm Lf mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu Cuộn kháng Lf có tác dụng nắn dòng điện chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, cuộn kháng Lf không xuất cấu trúc mạch tác dụng nắn dòng thay cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh lưu Do tác dụng diode nghịch đảo nghịch lưu, điện áp đặt tụ đạt giá trị dương Tụ điện thực chức trao đổi lượng ảo tải nghịch lưu mạch trung gian cách cho phép dòng id2 thay đổi chiều nhanh không phụ thuộc vào chiều dòng id1 Bộ nghịch lưu áp: dạng pha ba pha Quá trình chuyển mạch nghịch lưu áp thường trình chuyển đổi cưỡng Trong trường hợp đặc biệt nghịch lưu làm việc trình chuyển mạch với trình chuyển mạch phụ thuộc bên Từ đó, ta có hai trường hợp biến tần với trình chuyển mạch độc lập trình chuyển mạch phụ thuộc bên Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu pha ba pha Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha Nếu chỉnh lưu pha nghịch lưu ba pha, biến tần thực chức biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều chỉnh lưu phải chỉnh lưu điều khiển Thông thường, chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm diode mắc dạng mạch cầu Độ lớn điện áp tần số áp nghịch lưu điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực trực tiếp nghịch lưu Ở chế độ máy phát tải (chẳng hạn hãm động không đồng bộ), lượng hãm trả ngược mạch chiều nạp cho tụ lọc Cf Năng lượng nạp tụ làm điện áp tăng lên đạt giá trị lớn gây áp Để loại bỏ tượng điện áp tụ Cf, số biện pháp sau thực Phương pháp đơn giản tác dụng đóng mạch xả điện áp tụ qua điện trở mắc song song với tụ Việc đóng mạch xả tụ thực nhờ công tắc bán dẫn S- hình H5.56 (chẳng hạn điều khiển áp tụ hai giá trị biên) dựa theo kết so sánh tín hiệu điện áp đo tụ với giá trị điện áp đặt trước cho phépï Một biện pháp khác thực đưa lượng áp tụ Cf nguồn lưới điện xoay chiều Trong trường hợp này, biến tần trang bị chỉnh lưu kép (hình H5.57) Khả chỉnh lưu kép cho phép thực đảo chiều dòng điện qua chỉnh 5-71 Điện tử công suất lưu cách này, điều kiện chiều điện áp tụ lọc không đổi dấu, lượng trả lưới điện xoay chiều qua chỉnh lưu Xu hướng nâng cao chất lượng điện cách sử dụng loại chỉnh lưu điều rộng xung (boost PWM Rectifier) cho phép thực trả công suất nguồn với hệ số công suất cao (gần một) (hình H5.58) Dòng điện qua nguồn lưới xoay chiều có dạng gần sin pha với điện áp xoay chiều * Bộ biến tần dòng gián tiếp Sơ đồ mạch vẽ hình H5.59 Mạch trung gian có cuộn cảm Lf (khoảng vài mH) Nhờ nó, mạch trung gian thực chức nguồn dòng điện nghịch lưu Dòng điện mạch trung gian có chiều không thay đổi Dòng cuộn cảm nắn Cuộn cảm thực chức trao đổi lương ảo tải tiêu thụ mạch trung gian Cuộn cảm tạo điều kiện cho trình thay đổi chiều điện áp ud2 xảy nhanh chóng không phụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu ud1 5-72 Điện tử công suất Bộ nghịch lưu dòng: pha thường gặp dạng ba pha Tùy theo trường hợp, nghịch lưu với trình chuyển mạch cưỡng trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghịch lưu dòng với trình chuyển mạch phụ thuộc chất chỉnh lưu có trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều tải hoạt động chế độ nghịch lưu Từ đó, ta phân biệt biến tần với trình chuyển mạch cưỡng biến tần với trình chuyển mạch phụ thuộc Điều khiển nghịch lưu dòng thực theo phương pháp điều biên dùng kỹ thuật điều chế độ rộng xung Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng, mạch tia, mạch cầu, pha ba pha Khi cần đòi hỏi phải truyền lượng theo hai chiều, ta cần chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển Trong trường hợp, dòng điện qua mạch dc phải điều khiển biên độ Do đó, chỉnh lưu không điều khiển (gồm diode) sử dụng Để giảm bớt tượng điện áp chi tiết bán dẫn nghịch lưu, ta sử dụng nghịch lưu với tụ hạn chế điện áp mắc song song với tải sử dụng mạch tích lượng Các cấu trúc biến tần dòng đại sử dụng chỉnh lưu điều khiển độ rộng xung, (buck PWM rectifier) (hình H5.60), cấu trúc loại cho phép chỉnh lưu làm việc với hệ số công suất cao 5.9 BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP (CYCLOCONVERTER) 5-73 Điện tử công suất Bộ biến tần trực tiếp-Cycloconverter, tạo nên điện áp xoay chiều ngõ với trị hiệu dụng tần số điều khiển Nguồn điện áp xoay chiều với tần số biên độ không đổi cung cấp lượng cho biến tần Bộ biến tần trực tiếp dùng để điều khiển truyền động động điện xoay chiều Theo trình chuyển mạch, biến tần trực tiếp phân biệt làm hai loại: biến tần có trình chuyển mạch phụ thuộc biến tần có trình chuyển mạch cưỡng Bộ biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch cưỡng chứa linh kiện tự chuyển mạch GTO, transistor Chúng trình bày nguyên lý hoạt động chương biến đổi ma trân (Matrix conveter) Bộ biến tần với trình chuyển mạch phụ thuộc sử dụng nhiều công nghiệp Tính phụ thuộc biểu khả ngắt dòng điện qua linh kiện thực nhờ tác dụng điện áp nguồn xoay chiều sức điện động xoay chiều tải Do đó, mạch cần trang bị thyristor thông thường Với tải công suất lớn, việc sử dụng linh kiện chuyển mạch tự nhiên SCR có ý nghóa quan trọng hiệu kinh tế thiết bị Do phụ thuộc vào điện áp xoay chiều nguồn nên tần số điện áp ngõ bị giới hạn mức thấp tần số điện áp nguồn Bộ biến tần ứng dụng truyền động động công suất lớn tốc độ chậm 5.9.1 BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP MỘT PHA * Phân tích hoạt động biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc điện áp nguồn xoay chiều Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động Xét biến tần trực tiếp pha hình vẽ H5.61 5-74 Điện tử công suất 5-75 Điện tử công suất Hình 5.63 Cycloconverter pha gồm BCL tia pha – Điêu khiển đồng thời Bộ biến tần có cấu tạo chỉnh lưu kép Do đó, phân tích hoạt động phương pháp điều khiển biến tần giống chỉnh lưu kép Điều khác biệt so với chức chỉnh lưu kép biến tần có trình điện áp tải - tức điện áp chỉnh lưu đổi dấu cách liên tục tuần hoàn Sơ đồ điều khiển biến tần trực phương pháp điều khiển riêng vẽ minh họa hình H5.63 Mạch logic liên quan đến tín hiệu mô tả kèm theo bảng B5 Quá trình điện áp dòng điện phần tử mạch vẽ hình H5.62a Theo đó, tồn khoảng thời gian dòng tải zero thực đổi dâu từ dương sang âm ngược lại Bảng B5 Sgn(ur Sgn(ur1) Sgn(ur2) α1 α2 I1* I2* ) ≤ α1 < π + + - ≥0 - - + >0 π ≤ α1 < π Khoùa - - + + 0 ≥0 Khoùa Khoùa Khóa thời gian tb + + - >0 Khóa + + - 0 Khóa thời gian tb Khoùa ≤ α2 < π π ≤ α2 < π Khóa 5-76 Điện tử công suất Đồ thị điện áp dòng điện tải đồ thị dòng điện thành phần qua chỉnh lưu tia xung trường hợp điều khiển đồng thời cac chỉnh lưu vẽ hình H5.62b Điện áp tải xoay chiều tạo thành phân tích thành sóng hài có tần số tần số yêu cầu áp tải sóng bậc cao với tần số phụ thuộc vào số xung điện áp chỉnh lưu Chất lượng điện áp dòng điện tải cải thiện rõ rệt với chỉnh lưu nhiều xung, ví dụ trường hợp cycloconverter gồm chỉnh lưu cầu ba pha tạo nên có dạng sóng điện áp dòng điện tải cho hình H5.64 Quan hệ điện áp điều khiển điện áp tải Điện áp điều khiển cho tải nghịch lưu chọn dạng sin (hoặc dạng chữ nhật, dạng hình thang ) Điện áp điều khiển sóng hài áp tải có tần số biên độ tỉ lệ với Ta giả thiết rằng, chu kỳ áp điều khiển lớn nhiều so với chu kỳ áp chỉnh lưu (sử dụng chỉnh lưu 24,36 xung ) Do dó, xem trình áp điều kh iển không thay đổi chu kỳ xét, tương tự sóng hài điện áp tải tạo thành có độ lớn không đổi chu kỳ xét trị trung bình điện áp chỉnh lưu Điều có nghóa trị tức thời sóng hài áp trị trung bình điện áp chỉnh lưu thời điểm xét Gọi: - ut(1) sóng hài điện áp tải - k hàm sóng điều khiển - Ud0 trị trung bình điện áp chỉnh lưu góc điều khiển - UpM biên độ điện áp đồng dạng cưa dạng cosin 5-77 Điện tử công suất Ta có: ut (1) = Ud k U pM Nếu áp điều khiển dạng sin có biên độ kM tần số ω: k = kM.sin(ωt) Điện áp tải có sóng hài thay đổi theo hệ thức: ut (1 ) = Ud U đkM sin (ωt ) U pM với ≤ kM ≤ UpM Khi sóng điều khiển có biên độ biên độ sóng cưa, sóng hài áp tải có biên độ Ud0 5.9.2 BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP BA PHA Bộ biến tần trực tiếp có cấu hình dạng đầy đủ, đối xứng (H5.65a,b), phụ thuộc kiểu đấu nguồn, ta phân biệt cấu trúc sử dụng chung nguồn từ cuộn thứ cấp máy biến áp cấu trúc có nguồn riêng cho pha tải Cấu trúc có chung cuộn thứ cấp máy biến áp đòi hỏi mạch tải ba pha có điểm trung tính để hỡ Nếu pha tải phân cách độc lập, sử dụng cấu trúc mạch biến tần trực tiếp có nguồn riêng (H5.65b) Với cấu trúc mạch biến tần hình H5.65b sử dụng nguồn chung, thực chuyển mạch linh kiện nhóm nửa mạch cầu, tượng ngắn mạch nguồn xảy Bộ biến tần trực tiếp ba pha có trình chuyển mạch phụ thuộc áp nguồn xoay chiều Các cấu trúc tiết kiệm linh kiện tạo nên không đối xứng nhánh linh kiện Hai dạng biến tần trực tiếp không đối xứng vẽ minh họa hình H5.65c H5.65d 5-78 Điện tử công suất Trên hình H5.66 vẽ sơ đồ mạch công suất biến tần trực tiếp gồm chỉnh lưu tia ba pha với nguồn chung Các chỉnh lưu kép điều khiển theo phương pháp riêng lẻ đồng thời (có dòng cân bằng) Tuy nhiên, việc sử dụng chung nguồn thực tế có khó khăn trình chuyển mạch nhóm chỉnh lưu tạo nên Do đó, với yêu cầu chất lượng cao, chỉnh lưu cho pha tải đấu vào pha nguồn cách ly riêng (hình H5.65b) Tần số hài của điện áp f2 cho hệ thức: f2 = f1.m 2l + m − với: l tổng số xung áp chỉnh lưu chứa nửa chu kỳ áp tải m số pha f1 tần số áp nguồn xoay chiều 5-79 Điện tử công suất Nếu biến tần chỉnh lưu kép mạch tia ba pha tạo thành, ta có: f2 max≈ 0,43 f1 (thực tế sử dụng đến giới hạn f1 / ) trường hợp chỉnh lưu kép mạch cầu ba pha tạo thành, ta có: f2 max=0,6 f1 (thực tế khoảng f1/2 ) Ưu điểm biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc điện áp nguồn mạch cần thyristor thông thường Nếu số xung áp chỉnh lưu lớn, dạng áp tải có dạng gần sin Tổn hao phát sinh đóng ngắt linh kiện thấp, biến tần không cần mạch lọc trung gian nên có hiệu suất cao Nếu cố xảy trình chuyển mạch pha đó, biến tần tiếp tục hoạt động bình thường dù lưới điện bị biến dạng Bộ biến tần có khả làm việc tần số thấp Khuyết điểm mạch số linh kiện sử dụng nhiều mạch điều khiển phức tạp Do biến tần làm việc nguyên lý điều khiển pha chỉnh lưu nên hệ số công suất thấp 5.9.3 BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP VỚI QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH PHỤ THUỘC VÀO ÁP TẢI Sơ đồ mạch công suất giống hình H5.65, nhiên phương cách điều khiển linh kiện SCR khác biệt Bộ biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc cho điện áp tải với tần số cao tần số nguồn áp xoay chiều điện áp chuyển mạch lấy từ điện áp tải Trong trường hợp này, tải có tính dung kháng, chẳng hạn động đồng kích từ dư Các chỉnh lưu kép A,B,C điều khiển để tạo dòng điện qua tải dạng bước Do đó, thời điểm, tồn dòng điện qua hai nhánh thyristor chỉnh lưu, chẳng hạn dòng qua thyristor nhóm A + thyristor nhóm B − - trạng thái ( A + B − ) Sự thay đổi vai trò dẫn điện nhóm tạo nên trạng thái mạch ( A + C − ) , ( B + A − ) , ( B + C − ) , ( C + A − ) , ( C + B − ) Thời điểm chuyển mạch nhánh chẳng hạn từ ( A + C − ) sang ( B + C − ) chọn cho áp khóa tồn thyristor cần đóng Ví dụ A1 đóng, ta có áp B1 bằng: uVB1 = ut1 - ut2 (giả sử bỏ qua áp cuộn kháng cân bằng) Khi uVB1 > : xung kích đóng làm B1 đóng Do điện áp chuyển mạch A1 áp khóa thyristor B1 phụ thuộc vào điện áp pha tải nên trình chuyển mạch gọi trình chuyển mạch phụ thuộc vào áp tải Khi điện áp tải nhỏ (chẳng hạn động chạy với vận tốc chậm), điện áp chuyển mạch không đủ tin cậy, việc kích đóng ngắt thyristor dựa vào điện áp nguồn xoay chiều Lúc đó, trình chuyển mạch phụ thuộc áp nguồn xoay chiều Ví dụ để ngắt dòng điện dẫn qua thyristor A1 nhóm A + đóng thyristor B3 nhóm B + , xung kích đưa vào B3 thời điểm mà điện áp uB3 dương tức là: uB3 = u3 - u1 + ut1 - ut2 ≈ u3 - u1 > (do ut1, ut2 nhỏ ) 5.10 SO SÁNH BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP VÀ BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP 5-80 Điện tử công suất Phạm vi hoạt động điện áp ra: tương đối nhỏ trường hợp biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc bên (0 đến 25Hz) cao trường hợp biến tần gián tiếp ( vài phần chục Hz đến vài ngàn Hz) Dạng sóng điện áp ra: thuận lợi trường hợp biến tần trực tiếp, chúng, ta dùng mạch điều khiển đơn giản để đạt dạng dòng điện tải gần hình sin Phương pháp chuyển mạch: thuận tiện trường hợp biến tần trực tiếp Do tác dụng trình chuyển mạch phụ thuộc bên biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc, ta đạt công suất lớn hàng chục MW so với trường hợp biến tần gián tiếp với trình chuyển mạch độc lập (khoảng đơn vị MW) Quá trình chuyển mạch độc lập biến tần gián tiếp đòi hỏi chi tiết bán dẫn so với trường hợp biến tần trực tiếp Chẳng hạn, biến tần gián tiếp ba pha gồm 12 thyristor chuyển mạch Bộ biến tần trực tiếp ba pha gồm chỉnh lưu xung đòi hỏi đến 36 thyristor Hệ số công suất: tốt biến tần gián tiếp sử dụng phương pháp điều khiển độ xung rộng điện áp (PWM) 5-81 Phụ lục Điện tử công suất CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU Stt BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 01 BỘ GIẢM ÁP 02 03 BỘ TĂNG ÁP DẠNG ĐIỆN ÁP TẢI TRỊ TRUNG BÌNH ĐIỆN ÁP TẢI PHẠM VI THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TẢI GHI CHÚ T Ut = Ud T ≤ Ut ≤ U d Giả thiết dòng tải liên tục T U t = U d (1 − ) T ≤ Ut ≤ Ud BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU TỔNG QUÁT Ut = Ud ( 04 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU KÉP ĐẢO DÒNG T Ut = U d T 05 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU KÉP ĐẢO AÙP Ut = Ud ( 2T1 − 1) T 2T1 − 1) T 0≤ It 0≥ It Giả thiết dòng tải liên tục −U d ≤ U t ≤ U d It ≤ , It ≥ 0 ≤ Ut ≤ Ud It ≤ , It ≥ −Ud ≤ Ut ≤ Ud It ≥0 Giả thiết dòng tải liên tục Ud điện áp nguồn chiều Ut, It trị trung bình điện áp dòng điện tải; T chu kỳ đóng ngắt T1 thời gian đóng công tắc (trường hợp 1/-,2/-) thời gian đóng công tắc theo chiều dương dòng điện tải (3/-,4/-,5/) T2 thời gian ngắt công tắc (trường hợp 1/-,2/-) thời gian đóng công tắc theo chiều âm dòng điện tải Bộ môn Cung Cấp điện Nguyễn Văn Nhờ 1/1 CÁC HỆ THỨC CƠ BẢN BỘ BIẾN ĐỔI ÁP XOAY CHIỀU PHA STT TẢI 01 R PHẠM VI ĐIỀU KHIỂN ≤α