GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN Chỉnh lưu pha, ba pha không điều khiển, trình bày chương trước, khơng cho phép điều khiển điện biến đổi từ xoay chiều (ac) thành chiều (dc) Khả biến đổi điện thực nhờ sử dụng thyristor công suất mạch chỉnh lưu Chương đề cấp đến hai loại chỉnh lưu điều khiển là: chỉnh lưu pha điều khiển chỉnh lưu ba pha điều khiển Cả hai dạng chỉnh lưu điều khiển áp dụng phần lớn thiết bị điện 3.1 Chỉnh lưu pha điều khiển Chỉnh lưu pha điều khiển ngày phạm vi ứng dụng rộng lớn Như hình 3-1, chỉnh lưu pha điều khiển phân chia thành hai nhóm lớn: (i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, biết với tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch (ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, cịn gọi điều chỉnh hệ số cơng suất (power factor corrector - PFC) Thời gian gần đây, xuất nhiều quan tâm đến việc kiểm sốt sóng hài bậc cao phía dịng điện xoay chiều cấp cho chỉnh lưu Đây nguyên nhân chủ yếu cho phát triển hệ thống điều chỉnh hệ số công suất (PFC) Những sơ đồ mạch sử dụng transistor công suất, làm việc với tần số cao để cải thiện chất lượng dạng sóng dịng điện xoay chiều, từ nâng cáo hệ số cơng suất Chỉnh lưu hệ số công suấ cao chia thành loại tái tạo khơng tái tạo Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu pha điều khiển Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển 3.1.1 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch 3.1.1.1 Chỉnh lưu pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển sử dụng thyristor để điều chỉnh điện áp cấp cho tải trình bày hình 3-2 Hình 3-2: Chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển Thyristor dẫn điện áp vAK dương có xung dịng điện iG đặt vào cực điều khiển Điều chỉnh giá trị điện áp đầu cấp cho tải thực cách thay đổi góc điều khiển α xung dịng iG Góc điều khiển α tính từ thời điểm có điện áp vAK > (chuyển mạch tự nhiên) Trong trường hợp hình 3-2, góc α tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs Cùng hình thấy dạng sóng dịng điện id hồn tồn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, điện áp tải dịng điện đạt giá trị âm Điện áp đầu tính theo biểu thức: v d V   Vm sin x.dx  m (1  cos )  2 2  (3-1) Trong Vm – biên độ điện áp nguồn xoay chiều Trong hình 3-3a, vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải R-L dạng sóng điện áp (a) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng (b) Hình 3-3: Chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải a) tải thụ động RL b) tải có nguồn Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi điện cảm: v L  vs  v R  L did dt (3-2) Trong vR – điện áp rơi điện trở, vR  R.id Nếu vs – vR > 0, từ cơng thức 3-2 thấy dòng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm vs – vR < Dịng điện xác định theo: i d (t )  t v dx L  L (3-3) Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta thấy dịng điện id = diện tích phần A1 A2 (vs = vR) điều cho thấy thyristor dẫn điện vs < (do có điện áp L) Khi tải gồm điện cảm nguồn áp (điện cảm tích cực) nối với chỉnh lưu, trình bày hình 3-3b Thyristor mở có xung dịng iG vào cực điều khiển vs > Ed Tương tự trương hợp R-L, Thyristor giữ nguyên trạng thái dẫn A1 = A2 Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp tải vd = Ed 3.1.1.2 Chỉnh lưu hai pha nửa sóng Sơ đồ hình 2-13, sử dụng điểm cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 v2 Các điện áp lệch pha 180o, nhận điểm làm điểm trung tính Dịng điện qua thyristor T1 T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 v2 dương, khép mạch qua tải trở điểm trung tính GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R Như sơ đồ hình 3-4, Thyristor T1 bật toàn thời gian v1 > 0, xung điều khiển trễ góc α định thời điểm bật T1 Trạng thái bật Thyristor thể đồ thị hình 3-4 Các van tiếp tục dẫn chu kỳ điện áp ngược xuất van Giá trị điện áp tải tính theo biểu thức vdi  1 V Vm sin x.dx  m (1  cos )    (3-4) Dòng điện xoay chiều is iT1(N2/N1) T1 dẫn iT2(N2/N1) T2 dẫn, N2/N1 tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp sơ cấp Ảnh hưởng hệ số thời gian tải liên tục TL = L / R với tải bình thường  độ gợn sóng id ( t ) / i R ( t ) / i R góc mở α = 0o thể hình 3-5 Độ gợn sóng dịng tải giảm hệ số thời gian tải liên tục tăng, L → ∞, dịng điện lọc phẳng hồn tồn Hình 3-5: Ảnh hưởng số thời gian tải liên tục GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 3.1.1.3 Chỉnh lưu cầu pha Điều khiển chỉnh lưu cầu pha có hai phương án: điều khiển sử dụng Thyristor (hình 3-6a) bán điều khiển (điều khiển phần) sử dụng Thyristor Diode (hình 3-6b) (b) (a) Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu pha a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp dòng điện chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R vẽ hình 3-6a Các van T1 T2 phải mở đồng thời nửa sóng dương điện áp vs, dẫn dịng Tương tự, van T 3, T4 mở đồng thời nửa sóng điện áp nguồn âm Để đảm bảo tính đồng thời bật van T1 T2 người ta dùng chung dịng kích mở Điện áp tải tương tự với trương hợp hai pha nửa sóng xét Dịng điện xoay chiều: is  iT1  iT (3-5) Với dạng sóng vẽ hình 3-7 Hình 3-8 trình bày dạng sóng dịng áp trường hợp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải điện trở điện cảm (L → ∞) Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hồn tồn dịng điện chỉnh lưu tải dòng điện xuay chiều nguồn vào Do dòng điện tải liên tục, Thyristor T 1, T2 giữ nguyên trạng thái mở nửa chu kỳ dương điện áp nguồn vs qua Do nguyên nhân này, điện áp tải vd có giá trị tức thời âm Việc bật Thyristor T 3, T4 mang lại kết quả: Tắt van T 1, T2; sau chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vng hình 3-8, điều kiện dịng điện liên tục Trường hợp điện áp trung bình tải: vdi   2V   Vm sin x.dx  m cos    (3-6) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-7: Dạng sóng dịng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R Hình 3-8: Dạng sóng dịng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R-L (L→∞) 3.1.1.4 Phân tích dịng điện nguồn xoay chiều Xét trường hợp mạch lọc điện cảm có trị số cao chỉnh lưu cầu pha điều khiển, dòng điện nguồn xoay chiều bị lọc trở thành dạng xung vng Ngồi dịng điện is cịn bị lệch pha so với điện áp vs góc α, góc kích mở van cơng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng suất Dịng điện nguồn xoay chiều biểu diễn theo phân tích Fourier, giá trị bậc hài xác định: Is max(n )  Id  n (3-7) (n = 1, 3, 5, …) Trị hiệu dùng thành phần hài bậc n: Is ( n )  Is max(n )  2 Id  n (3-8) Như trị hiệu dụng thành phần bản: Is (1)  2  Id  0,9Id (3-9) Trên hình 3-9a, ta thấy góc lệch pha thành phần φ1 góc kích mở α hình 3-9b phổ thành phần sóng hài thành phần bậc lẻ suy giảm biên độ tần số tăng (a) (b) Hình 3-9: Dịng điện nguồn xoay chiều chỉnh lưu cầu pha có điều khiển (a) dạng sóng (b) phổ thành phần sóng hài Trị hiệu dụng dòng điện nguồn xoay chiều: Is  I d (3-10) Độ méo dạng tổng (THD): Is2  Is21 THD  100  48,4% Is (3-11) 3.1.1.5 Hệ số công suất chỉnh lưu Từ đồ thị hình 2-18a, góc lệch pha dịng áp thành phần góc kích mở van cơng suất (φ1 = α) cos1  cos (3-12) Cơng suất tác dụng dịng điện khơng sin, cấp từ nguồn sin pha: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 1T P   vs ( t )is ( t )dt  Vs Is1 cos1 To (3-13) Công suất biểu kiến S  Vs Is (3-14) Hệ số công suất PF PF  P S (3-15) Nếu thay biểu thức 3-12, 3-13, 3-14 biểu thức 3-15, ta PF  Is1 cos Is (3-16) Biểu thức cho thấy, với dịng điện nguồn xoay chiều khơng sin, hệ số công suất chỉnh lưu chịu tác động xấu góc mở α độ biến dạng méo dòng điện nguồn Kết độ biến dạng dòng điện nguồn tăng lên làm tăng trị hiệu dụng Is theo 3-16, giảm hệ số công suất 3.1.1.6 Quá trình chuyển mạch Thyristor Cho tới trình chuyển mạch Thyristor xem diễn tức thời Tuy nhiên điều lại khơng xảy thực tế tính chất điện cảm mạch nguồn hình 3-10a Trong trình chuyển mạch, dịng điện qua Thyristor khơng đổi lập tức, tồn góc chuyển mạch μ mà thyristor đồng thời dẫn Vì trình chuyển mạch hệ tượng đồng dẫn làm cho điện áp tải vd    t     (3-17) Do ảnh hưởng trình chuyển mạch, dạng sóng dịng, áp nguồn, dịng tải có dạng hình 3-10b GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 3-10: Quá trình chuyển mạch a) sơ đồ b) dạng sóng Trong q trình chuyển mạch, điện áp biểu diễn theo biểu thức L dis  vs  Vm sin t dt với   t     (3-18) Lấy tích phân hai vế thời gian chuyển mạch, ta có: Id Vm di   s L I d (   ) /   sin tdt (3-19)  / Giải phương trình tìm giá trị μ cos(   )  cos  2L Id Vm (3-20) Biểu thức 3-20 cho thấy tăng điện cảm nguồn tăng dịng điện tải dẫn đến tăng góc chuyển mạch μ Ngồi ra, góc chuyển mạch cịn bị ảnh hưởng từ góc kích mở thyristor, biểu thức 3-18 cho thấy với góc kích mở khác điện áp nguồn có giá trị tức thời khác làm cho dis/dt có giá trị khác dẫn đến thay đổi thời gian chuyển mạch Biểu thức 3-17 dạng sóng hình 3-10b cho thấy q trình chuyển mạch làm giảm điện áp trung bình tải Vdα Nếu kể đến chuyển mạch, biểu thức điện áp tải tính theo biểu thức Vd    V  sin(t )d(t )  m cos(   )  cos      Thay 3-20 vào 3-21 Vd   Vm cos  2L  Id (3-22) (3-21) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển 3.1.1.7 Chế độ nghịch lưu Khi góc kích mở α > 90o, điện áp trung bình tải đạt giá trị âm Trường hợp công suất truyền ngược từ tải sang nguồn xoay chiều Chế độ làm việc gọi chế độ nghịch lưu, lượng truyền từ phía chiều (dc) sang phía xoay chiều (ac) Trong thực tế, chế độ gặp mạch mà tải bố trí hình 3-11a Cần lưu ý chỉnh lưu cho phép dòng điện theo chiều Trong hình 3-11b dạng sóng điện áp tải chế độ nghịch lưu bỏ qua điện cảm nguồn L Phần trước giải thích rõ ràng ảnh hưởng điện cảm nguồn L làm tăng thời gian chuyển mạch μ Như hình 3-11c, điện áp thyristor vT1 có giá trị âm khoảng γ, xác định theo biểu thức:   180  (   ) (3-23) Để đảm bảo thyristor đóng phục hồi hồn tồn tính ngược sau chuyển mạch, góc γ phải thỏa mãn biểu thức:   .t q (3-24) Trong ω – tần số nguồn điện tq – thời gian đóng thyristor Nếu   .t q , thyristor chưa đóng hồn toàn đặt điện áp thuận dẫn Từ góc kích mở lớn áp dụng:  max 180     (3-25) Nếu điều kiện biểu thức 3-25 không đáp ứng, trình chuyển mạch khơng hồn thành tạo nên dịng điện phá hủy mạch chỉnh lưu Hình 3-11: Chỉnh lưu chế độ Inverter a) sơ đồ mạch b) dạng sóng bỏ qua điện cảm c) dạng sóng có tính tới điện cảm L Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-64: Dạng sóng dịng điện cầu điện cảm: (a) điện áp biến đổi dương; (b) điện áp   biến đổi âm (c) chênh lệch điện áp vr v D v D , dòng điện ir Để tránh dòng điện ir, áp dụng cách thức ngưng dịng cầu điện cảm ngừng cấp điện cho biến đổi vài mili giây Các biến đổi cấu không cấp điện giữ trạng thái khóa dịng điện chiều ngược lại xuất 3.2.2 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch cưỡng 3.2.2.1 Sơ đồ khối tính chất Chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng cấu trúc từ linh kiện bán dẫn cơng suất dạng đóng/mở cực điều khiển (gate – turn – off - GTO) GTO cho phép thực điều khiển hoàn toàn biến đổi, van cơng suất bật/tắt cần thiết Đối với thyristor, bật/tắt thực lần chu kỳ nguồn, GTO thực bật/tắt hàng trăm lần chu kỳ nguồn Cách thực chuyển mạch có số ưu điểm: (a) dịng điện điện áp có dạng sóng theo PWM định trước, giảm lượng sóng hài bậc cao; (b) có khả nâng cao hệ số cơng suất chí đạt giá trị cao; (c) làm thành chỉnh lưu điều khiển ổn định điện áp điều khiển ổn định dịng điện; (d) cơng suất ngược (nghịch lưu) chỉnh lưu thyristor cách đổi chiều điện áp dc liên kết ngược Đối với chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng bức, thực dòng điện điện áp dc ngược Thực tế có cách để áp dụng chuyển mạch cưỡng chỉnh lưu ba pha: (a) chỉnh lưu ổn định dịng (nguồn dịng), cơng suất ngược thực nhờ đảo chiều Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển điện áp; (b) chỉnh lưu ổn định áp (nguồn áp), công suất ngược thực nhờ dảo chiều dịng điện Hình 3-65 trình bày sơ đồ khối nguyên lý hai loại Hình 3-65: Chuyển mạch cưỡng bức: a) chỉnh lưu ổn định dòng (nguồn dòng) b) chỉnh lưu ổn định áp (nguồn áp) 3.2.2.2 Nguyên lý chỉnh lưu ổn định điện áp Chỉnh lưu ổn định điện áp sử dụng phổ biến, áp dụng hai sơ đồ hình 3-65 Chỉnh lưu ổn định điện áp hoạt động dựa liên kết điện áp chiều với giá trị mong muốn (ổn định) sử dụng vòng điều khiển hồi tiếp hình 3-66 Để thực nhiệm vụ đó, liên kết điện áp đo so sánh với giá trị cần ổn định VREF Sai số thiết bị so sánh phát dùng điều khiển van cơng suất bật tắt Như vậy, cơng suất truyền sang phía nguồn xoay chiều (ac) theo yêu cầu điện áp chiều (dc) đo tụ CD Khi dịng điện ID có giá trị dương (chế độ chỉnh lưu), tụ điện CD xả, tín hiệu sai lệch điện áp tác động tới khối điều khiển tăng truyền cơng suất từ phía nguồn xoay chiều, khối điều khiển tạo tín hiệu PWM tương ứng cấp cho van cơng suất Với dịng điện lớn từ phía ac sang phía dc giúp phục hồi điện áp tụ điện Ở chiều ngược lại, dòng điện ID trở nên âm (chế độ nghịch lưu), tụ điện CD nạp điện tích tín hiệu sai lệch cấp cho khối điều khiển xả tụ truyền cơng suất sang phía xoay chiều Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-66: Nguyên lý chỉnh lưu ổn định điện áp Bộ điều khiển PWM không điều khiển luồng công suất tác dụng mà cịn có tác dụng lên cơng suất phản kháng, chỉnh lưu loại cịn có khả điều chỉnh hệ số cơng suất Hơn dạng sóng dịng điện xoay chiều cịn có dạng gần sin, giảm sóng hài cho nguồn xoay chiều PWM bao gồm chuyển mạch van công suất ON OFF, theo chế độ định trước có dạng sóng sin dịng áp Ví dụ, điều chế pha hình 3-67 Điều chế độ rộng xung thực chất sóng chu kỳ có giá trị thành phần điện áp tần số với mẫu Biên độ thành phần gọi VMOD, hình 3-67 ta thấy tỉ lệ biên độ VMOD với mẫu Hình 3-67: Mẫu PWM giá trị VMOD Để chỉnh lưu làm việc tốt, PWM phải tạo sóng VMOD với tần số nguồn Thay đổi biên độ góc lệch pha so với nguồn xoay chiều, thiết bị chỉnh lưu điều khiển để hoạt động góc phần tư: chỉnh lưu tăng hệ số công suất, chỉnh lưu giảm hệ số công suất, nghịch lưu tăng hệ số công suất, nghịch lưu giảm hệ số công suất Bằng cách thay đổi mẫu PWM, hình 368, dẫn đến thay đổi độ lớn VMOD, dịch chuyển mẫu PWM tạo độ lệch pha Tương tác VMOD V (điện áp nguồn) thấy qua biểu đồ pha, hiểu biết đến chỉnh lưu có khả làm việc góc phần tư Trong hình 3-68, chế liệt kê: (a) chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất; (b) nghịch lưu điều chỉnh hệ số công suất; (c) điện dung (hệ số công suất không); (d) điện cảm (hệ số công suất không) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-68: Chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng chế độ làm việc góc phần tư: (a) Sơ đồ mạch; (b) chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất; (c) nghịch lưu điều chỉnh hệ số công suất; (d) điện dung (hệ số công suất không); (e) điện cảm (hệ số công suất khơng) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-69: Sơ đồ, dạng sóng dịng điện nguồn, van cơng suất, chiều hồi tiếp Trên hình 3-69, giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều nguồn is IS Dòng điện qua van bán dẫn hình 3-69, nửa chu kỳ dương, transistor TN, nối phía âm điện áp hồi tiếp, bật dòng điện chảy qua T N (iTN) Dòng điện quay trở lại nguồn qua van công suất khép vòng với pha khác, qua diode nối với cực âm điện áp hồi tiếp Dòng điện cịn qua tải chiều (nghịch lưu) quay trở thơng qua transistor phía cực dương điện áp hồi tiếp Khi transistor TN bị tắt, đường dòng điện bị ngắt dòng điện qua diode DP, nối với cực dương điện áp hồi tiếp Dòng điện gọi iDp hình 3-69, đến trực tiếp điện áp hồi tiếp giúp tạo nên dòng điện idc, nạp cho tụ CD cho phép chỉnh lưu truyền cơng suất sang phía dc Điện cảm LS quan trọng trình tạo điện áp cảm ứng cho phép mở dẫn diode DP Hoạt động tương tự diễn với nửa chu kỳ âm với TP DN (hình 3-64) Dưới chế độ nghịch lưu, dịng điện có lối khác qua transistor, chủ yếu từ tụ điện CD Còn chế độ chỉnh lưu, sơ đồ làm việc tăng áp chế độ nghịch lưu – chế độ buck Để kiểm sốt hồn tồn hoạt động chỉnh lưu, diode phải phân cực ngược với tất giá trị tức thời điện áp nguồn Nếu ngược lại, diode dẫn, chỉnh lưu PWM giống chỉnh lưu cầu diode Cách khóa diode đảm bảo điện áp dc hồi tiếp lớn biên độ điện áp riêng diode tạo Diode phân cực ngược, chúng dẫn hai transistor bật Điện áp VD, trì tụ điện, phải cao điện áp chỉnh lưu cầu diode thơng thường Để có điều kiện này, chỉnh lưu phải có vịng điều khiển hình 3-66 3.2.2.3 Điều khiển điện áp DC hồi tiếp Điều khiển điện áp chiều hồi tiếp cần phải có vịng điều khiển hồi tiếp Như giải thích mục trước, điện áp VD so sánh với điện áp tham chiếu Vref (mong muốn) tín hiệu “e” có từ so sánh dùng để tạo mẫu dạng sóng Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Mẫu dạng sóng phải sóng sin có tần số với nguồn xoay chiều Mẫu dạng sóng xoay chiều dùng để điều chế độ rộng xung cho phép điều khiển chỉnh lưu theo hai chế độ khác nhau: (1) chỉnh lưu PWM điều khiển dòng (2) chỉnh lưu PWM điều khiển áp Phương pháp thứ điều khiển dòng điện nguồn, phương pháp thứ hai điều khiển độ lớn điện áp pha VMOD Điều khiển dòng phương pháp đơn giản so với điều khiển áp, nguyên nhân giải thích a Chỉnh lưu PWM điều khiển dịng Phương pháp điều khiển trình bày hình 3-70, cấu trúc điều khiển dựa đo giá trị tức thời dòng điện pha điều khiển theo dạng sóng sin theo mẫu tham chiếu I_ref, biên độ dịng tham chiếu Imax xác định từ phương trình Imax  G C e  G C (VREÈ  vD ) (3-79) Trong GC thể hình 3-70 điều khiển có dạng PI, P, Fuzzy khác Dạng sóng sin mẫu lấy cách nhân giá trị Imax với hàm sin có tần số với nguồn góc lệch pha mong muốn φ Sau sóng mẫu phải đồng hóa với nguồn xoay chiều Sau điều chế xung PWM phát xung tương ứng với sóng mẫu Hình 3-70: Sơ đồ chỉnh lưu PWM điện áp nguồn điều khiển dòng Nhưng có vấn đề phát sinh với chỉnh lưu chỗ vòng điều khiển hồi tiếp điện áp VC khơng ổn định Do thiết kế chỉnh lưu cần phải ý đến tính khơng ổn định Biểu diễn điện áp hồi tiếp điều khiển GC, sơ đồ điều khiển chỉnh lưu trình bày dạng sơ đồi khối hàm truyền hình GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 3-70 Đây sơ đồ điều khiển hệ tuyến tính liên tục điểm làm việc ổn định, thiết lập thông qua giá trị hiệu dụng dịng điện nguồn IS Hình 3-71: Vịng điều khiển chỉnh lưu biểu diễn hàm truyền Các khối G1(s) G2(s) hàm truyền điều khiển chỉnh lưu tụ điện hồi tiếp CD G1 (s)  P1 (s)  3(V cos  2R.IS  LS ISs) IS (s) (3-80) G (s)  VD (s)  P1 (s)  P2 (s) VD C D s (3-81) Trong ΔP1(s) ΔP2(s) – cơng suất đầu vào đầu chỉnh lưu biến đổi Laplace, V – điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều (điện áp pha), IS – dịng điện nguồn điều khiển theo sóng mẫu, LS – điện cảm lọc nguồn R – điện trở nguồn chỉnh lưu Theo tiêu chuẩn ổn định hệ thống giả thiết điều khiển PI, ta có quan hệ sau: IS  C D VD 3.K P L S (3-82) IS  K P V cos 2R.K P  LS K I (3-83) Hai biểu thức hữu dụng thiết kế chỉnh lưu điều khiển dòng Quan hệ giá trị tụ điện CD, điện áp dc VD, điện áp hiệu dụng nguồn, điện trở điện cảm lọc nguồn hệ số cơng suất với trị hiệu dụng dịng điện I S Với quan hệ đại ượng trên, hệ số tỉ lệ hệ số độ nhạy KP, KI (các khâu P, I) tính toán để đảm bảo làm việc ổn định chỉnh lưu Các biểu thức thiết lập giới hạn cho hoạt động chỉnh lưu dòng điện I S khơng có giá trị âm biểu thức Nếu giới hạn ổn định thỏa mãn, chỉnh lưu giữ cho điện áp chiều tụ giá trị Vref (bộ điều khiển PI) điều kiện tải truyền cơng suất từ phía ac sang phía dc Với chế độ nghịch lưu, công suất truyền theo hướng ngược lại GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Khi vấn đề ổn định giải quyết, mẫu sóng sin tạo, phương pháp điều chế độ rộng xung phải tạo chuỗi xung cấp cho van cơng suất Chuỗi xung đóng mở van cơng suất để có dạng dịng điện xoay chiều I_line theo dạng mẫu mong muốn I_ref Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung cho chỉnh lưu điều khiển dòng, sử dụng phổ biến phương pháp: lấy mẫu chu kỳ (periodical sampling - PS), khâu trễ pha (hysteresis band - HB), sóng xung tam giác (triangular carrier - TC) Phương pháp PS bật tắt van công suất chỉnh lưu chuyển đổi xung vng có tần số cố định tần số lấy mẫu chu kỳ Mỗi chuyển đổi xung vuông có so sánh I_ref I_line từ có điều chỉnh Như hình 3-72a, cách thức điều khiển đơn giản: dùng so sánh D-type flip-flop cho pha Ưu điểm phương pháp thời gian nhỏ lần chuyển mạch van công suất giới hạn thời gian chu kỳ lấy mẫu Đặc điểm xác lập tần số chuyển mạch cực đại biến đổi, cịn tần số trung bình khơng xác định rõ ràng Phương pháp HB bật tắt van công suất chỉnh lưu có sai số I_ref I_line vượt độ lớn định: trễ pha Sơ đồ hình 3-72b, cách điều khiển cần trễ pha cho pha Trường hợp này, tần số chuyển mạch xác định, giá trị lớn tính qua biểu thức sau: f Smax  VD 4h.L S (3-84) Trong đó: h – độ lớn khâu trễ Hình 3-72: Phương pháp điều chế độ rộng xung (a): lấy mẫu chu kỳ; (b): khâu trễ pha (c) dựa sóng xung tam giác GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Phương pháp TC, hình 3-72c, so sánh sai số I_ref I_line với sóng tam giác có tần số cố định Sai số khuyêc đại qua khâu tích phân tỉ lệ (PI) trước so sánh với xung tam giác.Như thấy, sơ đồ điều khiển đầy đủ so với PS HB Các giá trị KP KI xác định đáp ứng sai số ổn định hệ thống, biểu thức giá trị đáp ứng đặc tính động với diều kiện khác L S C 2VD (3-85) K I  C K P (3-86) KP  Trong đó: LS – tổng trở kháng chỉnh lưu, ωc – tần số xung tam giác VD – điện áp hồi tiếp chỉnh lưu Đánh giá độ méo (do sóng hài) phương pháp điều khiển trên, có biểu thức: %Distorsion  100 I _ line  I _ ref 2 dt  I rms T T (3-87) Hình 3-73a dạng sóng dịng điện điều khiển ba phương pháp Ví dụ thực với tần số chuyển mạch khoảng 1,5kHz Phương pháp PS có chất lượng xấu bù lại có cách thực đơn giản Phương pháp HB TC với khâu điều khiển PI có chất lượng giống phương pháp TC với khâu tỉ lệ có độ dịch pha dịng điện nhỏ Và hình 3-73b cho thấy với tần số chuyển mạch cao chất lượng phương pháp gần nhau, với tần số lớn 6kHz, độ méo nhỏ cho phương pháp Hình 3-73: Dạng sóng phương pháp điều khiển với tần số 1,5kHz Ls = 15mH: (a) PS; (b) HB; (c) TC với PI (d) TC có P Độ méo theo tần số chuyển mạch b Chỉnh lưu PWM điều khiển áp Hình 3-74, trình bày pha hệ thống điều khiển điện áp nguồn chỉnh lưu điều khiển áp Sơ đồ đại diện cho mạch tương đương với yếu tố phía nguồn túy sin hồi tiếp chiều Nguyên tắc điều khiển tạo điện GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng áp mẫu VMOD, dựa theo biên độ góc pha so với điện áp nguồn V Bằng cách này, dòng điện nguồn điều khiển không thông qua việc đo đếm chúng Điện áp mẫu VMOD tạo nên dựa phương trình vi phân chỉnh lưu Phương trình vi phân có nguồn gốc từ sơ đồ 3-74 v( t )  L S dis  R.iS  v MOD ( t ) dt (3-88) Giả thiết v( t )  V sin t , lời giải phương trình vi phân i S(t) dùng tạo điện áp mẫu VMOD đảm bào chỉnh lưu làm việc với hệ số cơng suất định có dạng: iS (t )  Imax sin(t   ) (3-89) Kết hợp công thức 3-88, 3-89 điện áp nguồn hàm theo thời gian, ta xác định VMOD với biên độ góc pha dI   v MOD ( t )  V  XSI max sin   (RI max  LS max ) cos  sin t  dt   (3-90) dI max    XSI max cos  (RI max  LS ) sin   cost dt   Biểu thức 3-90 cho thấy mẫu điện áp VMOD kiểm soát giá trị thay đổi dòng điện nguồn Imax Sử dụng đạo hàm Imax 3-90 có ý nghĩa dịng điện I max thay đổi thay đổi tải Đại lượng XS 3-90 ωLS Biểu thức viết với hệ số cơng suất có nghĩa cosφ = sinφ = dI   v MOD ( t )  V  RI max  LS max  sin t  dt    XSI max cost (3-91) Hình 3-74: Sơ đồ pha chỉnh lưu điện áp nguồn điều khiển áp Với biểu thức cuối cùng, chỉnh lưu nguồn áp điều khiển PWM điện áp với hệ số cơng suất thực sơ đồ hình 3-75 Từ biểu thức 3-90 3-91 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng xây dựng mẫu điện áp VMOD thay đổi theo độ lớn góc pha để điều khiển hồn tồn chỉnh lưu đạt hệ số công suất So sánh với sơ đồ khối điều khiển hình 3-65, chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển áp không cần phải lấy tín hiệu dịng điện nguồn Tuy nhiên để có tính ổn định tốt phương pháp điều khiển dịng, khối “–R–sLS” “–XS” hình 3-75 cần mơ tái tạo xác giá trị R, XS LS nguồn xoay chiều Nhưng thơng số khơng cịn số, điều ảnh hưởng đến tính ổn định hệ thống hinh 12.43 Ở trạng thái ổn định, Imax số, biểu thức 3-91 viết dạng véc tơ, biểu thức 3-92     V MOD  V R IS  jX S IS (3-92) Hình 3-75: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển áp cho hệ số công suất Với điện áp mẫu VMOD tạo, cần phải sử dụng phương pháp điều chế PWM để điều khiển chuyển mạch van công suất Như phần trình bày phương pháp chỉnh lưu điều khiển dịng, có nhiều phương pháp điều chế mẫu gọi: điều chế mẫu theo sóng sin PWM (SPWM), sử dụng sóng xung tam giác hình 377 Phương pháp có hai thông số quan trọng: biên độ tỉ lệ số tỉ lệ m, tỉ lệ điều chế tần số p max VMOD m  max VTRIANG p fr fS (3-94) (3-95) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển max max Trong đó: VMOD , VTRIANG - biên độ điện áp mẫu VMOD điện áp xung tam giác VTRIANG tương ứng Bên cạnh đó, fS – tần số nguồn xoay chiều fr – tần số xung tam giác Trong hình 3-77, m = 0,8 p = 21 Khi m > tượng điều chế Phương pháp điều chế hình 3-77, có thành phần hài thay đổi theo p m Khi p < 21, chuyển sang chế độ điều chế PWM đồng có ý nghĩa xung tam giác lúc cần đồng Bên cạnh đó, để hạn chế sóng hài, giá trị p cần phải số nguyên, p số lẻ thành phần hài bị loại bỏ, p bội số 3, điều chế PWM ba pha giống Nếu giá trị m tăng, biên độ thành phần điện áp tăng tỉ lệ thuận, số thành phần hài giảm Chế độ điều chế (m > 1), thành phần điện áp tăng khơng tỉ lệ có xuất số thành phần hài Hình 3-76: Chỉnh lưu điều khiển áp cho hệ số công suất với tải khác Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-77: Điều chế sóng sin PWM dùng xung tam giác c Chỉnh lưu PWM điều khiển tải Phương pháp đơn giản điều khiển chỉnh lưu PWM công suất nhỏ (10 – 20 kW) dự nguyên tắc điều khiển trực tiếp dịng điện chiều Hình 3-78 sơ đồ khối hệ thống điều khiển Điện áp mẫu VMOD tạo dựa mẫu PWM, lựa chọn cho giảm thiểu sóng hài Như mẫu PWM khơng thay đổi, lưu trữ nhớ ROM Nguyên tắc điều khiển dự thay đổi góc cơng suất δ điện áp nguồn V điện áp mẫu VMOD Khi góc δ thay đổi, lượng cơng suất truyền từ phía xoay chiều dang chiều thay đổi Khi góc cơng suất âm (VMOD chậm pha so với V), cơng suất truyền từ ac sang dc, cịn góc cơng suất dương, cơng suất truyền theo hướng ngược lại Như vậy, góc cơng suất điều khiển thơng qua dịng điện dc ID Khơng cần theo dõi tín hiệu điện áp VD, cách điều khiển thiết lập ổn định điện áp chiều theo giá trị khác dòng điện góc cơng suất Với tính chất đó, tìm mối quan hệ dịng điện ID góc δ để có điện áp dc khơng đổi tất tải Quan hệ biểu diễn theo biểu thức Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển LS   V cos  sin   1 R  I D  f ( )     L   R 1   S     R   (3-96) Hình 3-78: Chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển tải Từ biểu thức 3-96, ta có hàm δ = f(ID ) dùng để thực điều khiển chỉnh lưu Quan hệ ID δ cho phép hoạt động chế độ ưu tiên hệ số công suất Chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển tải đặc trưng tính chất sau: (i) khơng cần dung cảm biến điện áp dòng điện nào; (ii) làm việc với mẫu PWM cố định chuẩn bị trước; (iii) có đặc tính ổn định tốt; (iv) Tính ổn định khơng phụ thuộc vào kích thước tụ dc; (v) làm việc chế độ ưu tiên hệ số cơng suất;và (vi) điều chỉnh theo biểu thức 3-96 để làm việc chế độ không điều chỉnh Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển