bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 5

CHƯƠNG V NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN Phân loại nghịch lưu Khảo sát nghịch lưu nguồn áp Phương pháp điều khiển điện áp ngỏ Sóng hài nghich lưu hình sin Biến tần nguồn áp Ứng dụng  Nghịch lưu: Bộ biến đổi DC  AC  Nghịch lưu độc lập = BBĐ DC  AC với U, f định (nghịch lưu ô-tô-nôm) phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc: chế độ làm việc chỉnh lưu SCR  Có nhiều sơ đồ nghịch lưu khác cho ứng dụng công nghiệp Trang ch NgL BT V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU: - Nghịch lưu song song nối tiếp - Nghịch lưu nguồn dòng nguồn áp Nghịch lưu song song nối tiếp: Phân loại theo vị trí C tắt SCR ( nghịch lưu chuyển mạch tải) a Nghịch lưu song song: C song song taûi + T L SCR3 SCR1 V _ R SCR2 L C SCR4 + C V _ SCR1 SCR2 - Khi SCR vaø dẫn điện, tụ điện C nạp, làm tắt chúng ta kích SCR2 Trang ch NgL BT b Nghịch lưu nối tiếp: C nối tiếp taûi L1 + V _ L2 C SCR1 SCR2 Vo R - Kích SCR tạo xung dòng dương, SCR tự tắt dòng qua mạch không - Kích SCR tạo xung dòng âm Thường dùng làm nguồn trung hay cao tần Trang ch NgL BT Nghịch lưu nguồn dòng nguồn áp: a Nghịch lưu nguồn dòng: có L vô ngỏ vào + i N L = N S1 U _ S2 i R i S3 o Taû i RL u C i S4 o u C i L io iN C C O  wt  L Mạch tương đương (C tụ chuyển mạch) - iN Hình V.1.3 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng dạng dòng ngỏ biến đổi => tổng trở nguồn có giá trị lớn: mạch làm việc với nguồn dòng => Dòng nguồn iN phẳng, đóng ngắt thành dòng xoay chiều: S1, S4 đóng: iO = iN > ; S2, S3 đóng: iO = – iN < Công suất tải tiêu thụ: Po = U.iN Trang ch NgL BT b Nghịch lưu nguồn áp: có tụ điện C giá trị lớn ngỏ vào => tổng trở nguồn không => nguồn cung cấp nhận dòng không giới hạn Các ngắt điện nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược => biên độ áp bị giới hạn áp nguồn Ví dụ: BBĐ áp chiều làm việc phần tư mặt phẳng tải NL nguồn áp pha trị trung bình áp i o + S1 U _ i Taûi RL o C S2 u o S4 V R S3  u o L  -V Mạch tương đương Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng dạng áp ngỏ NL nguồn áp wt Trang ch NgL BT So sánh Nghịch lưu nguồn dòng Nghịch lưu nguồn áp Ngỏ vào Nguồn Tải L=∞ Nguồn dòng Dòng xung vuông Năng lượng Áp thay đổi theo tải chiều, từ nguồn đến tải C=∞ Nguồn áp Áp xung vuông, giới hạn biên độ nguồn Dòng thay đổi theo tải chiêù, nguồn trao đổi với tải V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP: Sơ đồ pha phương pháp khảo sát gần Sơ đồ pha quan hệ điện áp Logic pha Trang ch NgL BT Sơ đồ NL pha phương pháp khảo sát gần + D1 S1 io uo U _ D3 D2 S2 uo S3 + D1 U D4 T + uo S4 _ Sơ đồ cầu S1 C1 C2 Sơ đồ ½ cầu S2 U D2 _ S1 D1 S2 D2 Sơ đồ BA có điểm Nghịch lưu pha: dùng luật đóng ngắt BBĐ chiều làm việc phần tư cho trung bình áp không => Ngắt điện có khả đóng ngắt theo yêu cầu: - linh kiện họ transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) hay - SCR + mạch tắt, GTO công suất cao (kA) Trang ch NgL BT Ví dụ V.3.1: Tính toán dạng dòng nghịch lưu pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch pha hình V.4.3 Áp nguồn U, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển độ rộng xung áp q  T     / 2 , q tính giây + U D1 S1 io uo U _ D3 D2 S3 -I1 I1 D4 S2 uo I2 S4   S1 = -S2 S3 = -S4 Xeùt chu kỳ tực xác lập: - Phương trình vi phân S1, S4 đóng: UL di  Ri dt suy với điều kiện đầu i (0) = I1, i U  U   I1    e t / R  R với   L / R wt  Trang ch NgL BT U + D1 S1 io uo U _ D3 D2 S2 S3 -I I1 D4 Khi t = q, i = I2 với uo I2    S1 = -S2 S4 I2  wt S3 = -S4 U  U   I1    e q / R  R S4 ngắt, S3 đóng Dòng qua tải không thay đổi tức thời,chảy qua S1, D3; phương trình vi phân: di  L  Ri với điều kiện đầu i (0) = I2 , suy i  I  e  t /  dt  T  q  /  T q t  Khi , i = - I1 ; ta coù  I1  I  e , => I1, I2, vẽ dạng dòng tải U  e q / I2  R  e T / 2 , I1   I2  e   T2  q  /   T  q  /  V e T / 2  e  R  e T / 2 T /  V e 1   I2 Kiểm tra lại: q = T/2 I1  R T /  1 e Trang 10 ch NgL BT Tính toán gần nghịch lưu nguồn áp: Sử dụng nguyên lý xếp chồng, giả sử có thành phần u1 (sóng hài bậc 1) có tác dụng =>I = I1 thành phần dòng tải, i u Tả i TẢI: mạch tương đương phụ tải tần số w Từ tính công suất tiêu thụ gần đúng, suy hoạt động tải Bài tập: Cho nghịch lưu nguồn áp có áp ngỏ hình bên với U = 300V, taûi R = 10 ohm, L = 0.1 H, tần số làm việc 50 Hz Tính dòng (hiệu dụng) qua tải xem sóng hài bậc cao không đáng kể Tính công suất tiêu thụ, bieát  = 120o U uo I2 -I I1   S1 = -S2 S3 = -S4 wt  Trang 27 ch NgL BT n n-1 T1(n) ua(n) UC n+1 n n-1 T1(n) UM n+1 ua(n) ts(n) UC UM ts(n) T2(n) T2(n) Ts Ts Hình V.4.9b: Điều chế đối xứng Hình V.4.9c: Điều chế không đối xứng Khi điều chế dối xứng: Bề rộng xung kỳ lấy mẫu thứ n : T  U  ua (n)  T1(n)  S  C  ; T 2( n)  TS  T1( n)  2UC  ua (n)  U M sin( n.2 ) N Với Ts: chu kỳ lấy mẫu; ua(n): áp chuẩn kỳ lấy mẫu thứ n; UC , UM: biên độ sóng mang tam giác áp chuẩn hình sin => độ rộng T1, T2 theo tỉ số UM / UC , TS , hàm sin(n.2/N) [chứa ROM] Trang 28 ch NgL BT b Điều chế vector không gian - SVM (gọi đầy đủ điều rộng xung vector không gian - SVPWM): Tính toán lần cho dạng sóng pha, Vector không gian áp ba pha: có trường hợp sau:  * Hệ ba pha hình sin đối xứng: vector U quay góc e  * Nghịch lưu nấc thang: boä vector U1 ,      U , U , U , U , U mô tả sáu trạng thái ngắt điện * Khi điều rộng xung hình sin SPWM với fC = N.fO : N vector trạng thái nằm đường tròn có bán kính thay đổi, áp mong muốn V * Trạng thái Ngắt đóng điện áp pha áp pha aùp taûi taûi S1,S5,S6 S1,S2,S6 S4,S2,S6 uA 2U/3 U/3 -U/3 S4,S2,S3 S4,S5,S3 -2U/3 -U/3 U/3 -U/3 S1,S5,S3 Vd/3 -2Vd/3 Vd/3 uB -U/3 U/3 2U/3 pha Vector khoâng gian taûi uC -U/3 -2U/3 -U/3 U/3 2U/3  V1 (1,0,0)  V2 (1,1,0)  V3 (0,1,0)  V4 (0,1,1)  V5 (0,0,1)  V6 (1,0,1) Trang 29 ch NgL BT Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian SVPWM: - mô tả vector trạng thái SPWM U theo vector NL sáu nấc thang   - hai trạng thái U0 (0, 0, 0) U7 (1,1,1) có áp thêm vào để điều chỉnh áp * U2 * Công thức cho điều chế vector không gian:    - vector khoâng gian U * = Ua + Ub   Ua  U *sin(   )  U a sin 3 =>  Ub  U *sin( )  U b sin  U *.sin(   ) 3 U *.sin( ) - Ua , Ub tương ứng với ta tb :    t  t  U *  U a  U b  a U1  b U TC TC với TC chu kỳ điều chế độ rộng xung, TC  tO  ta  tb cho ta: ta  Ua U TC vaø tb  b TC U U tO  TC - ta - tb có áp zero Ub * U U1  Ua Trang 30 ch NgL BT Điều kiện : TC  ta  tb =>  U * nằm phía hình lục giác Suy biên độ áp điều khiển cực đại U* :  U U *  U cos   0.577U ; U: áp cấp điện chiều, U biên độ aùp naác   thang ( U1 … U6 ) tương ứng với số điện áp mO giới hạn (cực đại) bằng: mGH  * U max 0.577U   0.907 U U1sixstep  pha a Uo U1 to ta S4 S1 U2 U7 U7 U2 tb to to tb 2 S1 S1 S1 S1 U1 Uo ta to S1 S4 pha b S5 S5 S2 S2 S2 S2 S5 S5 pha c S6 S6 S6 S3 S3 S6 S6 S6 Tc Tc Ts Trang 31 ch NgL BT c Triệt tiêu sóng hài chọn trước: Khi sử dụng dạng sóng có độ rộng xung cố định: Áp uo : uo  uo1 (1 )  uo2 ( )  uo3 => Có thể chọn  để triệt tiêu sóng hài uo Ví dụ: Tính góc 1, 2 để dạng sóng v hình V.4.12.a sóng hài bậc 5, Dạng sóng điều rộng xung hình V.4.12.a phân tích thành dạng sóng hình V.4.12.b vậy, ta có: Hình V.4.12: Dạng sóng điều rộng xung hình sin uO = uO1 – uO2 + uO3 , Dạng tổng quát biên độ sóng hài là: (a) phân tích chúnh thành dạng (b) Un  4U   1 2sin n.n2  2sin n.1    Cho U5 U7 không, giải  Khi U1 = 1.068U hay giá trị hiệu dụng U1R = 0.755U d Điều chế độ rộng xung sử dụng so sánh có trễ (điều chế delta): Trang 32 ch NgL BT SO SÁNH SMIT Pha A Đặt Out pha A Phản hồi Hình V.4.13b: Các dạng sóng điều rộng xung dùng so sánh có trễ phản hồi dòng điện: IREF : tín hiệu đặt dòng; iO : phản hồi dòng vO : dạng áp ra; v1 : hài điện áp Bất lợi: tần số đóng ngắt phụ thuộc đặc tính tải Trang 33 ch NgL BT V.7 BIẾN TẦN: - Là BBĐ AC (lưới)  AC (3 pha) có tần số, điện áp thay đổi - Dùng cho điều khiển động xoay chiều Có hai dạng biến tần tónh: Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) biến tần qua trung gian chiều Trang 34 ch NgL BT Biến tần trực tieáp: T1 T2 T3 KCB A B C T4 T5 T6 i o v o L R N hình V.7.1.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ pha; - Là ứng dụng chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều - điều khiển cho áp ngỏ dạng sóng xoay chiều có chu kỳ Ưu điểm: công suất lớn lớn, hiệu suất cao nhờ biến đổi trực tiếp Nhược điểm: tần số bé (≤1/3) so với tần số lưới điện, khắc phục dùng GTO Trang 35 ch NgL BT Biến tần có trung gian môt chiều: Biến tần có trung gian chiều gồm hai phận: chỉnh lưu đầu vào nghịch lưu đầu (nguồn dòng nguồn áp) - Biến tần nguồn dòng: công suất lớn, đóng ngắt tần số bé, đầu vào chỉnh lưu SCR Lưới NL ND L Lưới L C NL NA Tải Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp L Tải C R Q7 A B C Hình V.7.2: Biến tần có trung gian Hình V.7.3: Mạch động lực biến tần nguồn áp dùng chiều IGBT - Biến tần nguồn áp: sử dụng ngắt điện chiều (có điều khiển khóa), đạt chất lượng điện áp ngỏ cao - Mạch hãm động năng: Q7 cho phép tiêu thụ lượng điện trả từ tải, không để aùp DC taêng cao Trang 36 ch NgL BT Bộ biến tần cần đảm bảo yêu cầu sau: - Thực logic ba pha, thay đổi tần số - Điều khiển áp theo yêu cầu tải, thøng gặp quan hệ U/f = số Lưới Tải BIẾN TẦ N ĐK U ĐK f - Hạn chế sóng hài áp Hình V.7.4: Giống nghịch lưu, biến tần có tín hiệu điều khiển: điện áp tần số (dòng) Trang 37 ch NgL BT V.8 ỨNG DỤNG: Bộ nguồn xoay chiều công nghiệp, phân làm nhóm: - Theo loại thiết bị sử dụng: máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) điện tử công suất (thiết bị tónh) - Theo nguồn điện: đầu vào nguồn chiều hay lưới điện xoay chiều - Theo dãy tần số hoạt động: chia làm nhóm: Ngỏ tần số công nghiệp (nhỏ 400 Hz) cố định: nguồn cho thiết bị điện thay điện lưới: - lưu điện (UPS – Uninterruped Power Supply) - Inverter tần) Ngỏ tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động xoay chiều (biến Ngỏ trung tần hay cao tần: Từ 500 Hz đến 25 KHz sử dụng SCR hay cao dùng transistor - nguồn cho công nghệ điện: nung nóng cảm ứng, rung động siêu âm vật liệu từ giảo - Các dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor, làm việc tần số từ 50 KHz đến vài MHz dùng cho cao tần hay nung nóng điện môi Trang 38 ch NgL BT Các nguồn tần số cao: Nguyên lý: nung nóng dòng xoáy (eddy current) Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz: - Tần số làm việc giảm công suất tăng - Tần số cần phải tăng tăng bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép) Điều khiển động AC dùng biến tần: Phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ động xoay chiều Từ trường quay có tốc độ no  60  f ; no tính vòng/phút, f : tần số p (Hz) p số đôi cực Rotor quay theo từ trường quay với độ trượt s không đổi Có hai nguyên lý chính: - Điều khiển U/f -Điều khiển vector động KĐB sử dụng vi xử lý có khả tính toán mạnh để điều khiển động KĐB Trang 39 ch NgL BT Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn (bộ lưu điện hay UPS uninterrupted – power – supply): Điều khiển Lưới Tải Nạp Accu Nghịch lưu Chuyển mạch Hình V.8.1: Sơ đồ khối nguồn xoay chiều không gián đoạn Bao gồm nghịch lưu sử dụng accu chuyển mạch (rơ le hay TRIAC) Vấn đề then chốt UPS off-line thời gian chuyển đổi, tính từ nguồn xem bị đến xác lập áp nghịch lưu, Sơ đồ UPS hay nghịch lưu có đầu vào accu điện áp thấp dùng nghịch lưu: Accu  [NL1  BA tần số cao  CL  Lọc ] NL2  Lọc  tải UPS ON-LINE: UPS chuyển mạch nghịch lưu làm việc Trang 40 ch NgL BT Chấn lưu (ballast) điện tử: BL loại đèn sử dụng phổ biến nhờ hiệu suất tuổi thọ cao ST nguồn Nguyên lý làm việc đèn huỳnh 220 VAC quang dựa vào phát sáng chất (bột) huỳnh quang (fluorescent) có dòng điện Hình V.8.2: Sơ đồ đèn huỳnh quang truyền tử va vào thống, dùng chấn lưu cuộn dây - Khi làm việc điện lưới cần có điện trường cao xung mồi ban đầu để tạo phóng điện Trang 41 ch NgL BT hình V.8.3: Mạch ballast điện tử 36W đơn giản hãng International Rectifer (đọc thêm AN-1074.pdf) Chấn lưu điện tử nguồn tần số cao dùng mạch nghịch lưu ½ cầu (đường tô đậm hình V.8.3) ... Hz đến 25 KHz sử dụng SCR hay cao dùng transistor - nguồn cho công nghệ điện: nung nóng cảm ứng, rung động siêu âm vật liệu từ giảo - Các dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor,... khiển: điện áp tần số (dòng) Trang 37 ch NgL BT V.8 ỨNG DỤNG: Bộ nguồn xoay chiều công nghiệp, phân làm nhóm: - Theo loại thiết bị sử dụng: máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) điện tử công. .. S4, S3, S5 đóng: uA = -2 V/3 Trường hợp 5: S4, S3, S2 hay S4, S5, S6 đóng: uA = -V/3 L L L Trang 15 ch NgL BT S1 S4 S5 + U S2 S6 S3 uAB _ uA D2 S2 A n U t D1 S1 D3 S3 B D4 C D5 S4 D6 S5 R S6 R