phân tích nguyên lý chỉnh lưu pwm

MỤC LỤC Trang PhầnI. Phân tích các vấn đề tồn tại của CL dùng diode và thyristor 1 I. giới thiệu chung về CL diot thyrist 2 II. Những tham số để đánh giá đối với lưói 3 III. Các biện pháp khắc phục 4 IV. Vấn đề trao đổi năng lượng giưa lưới và tải 5 PhầnII. Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM I. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM 6 II. Vấn đề về giảm sóng điều hoà bậc cao 7 III. Các cấu trúc điều khiển CL PWM 8 IV. Mô phỏng bằng MATLAB 9 - 1 - NHIỆM VỤ THỰC TẬP: Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP: Phòng thí nghiệm trọng điểm TĐH Trung tâm Công nghệ cao NỘI DUNG THỰC HIỆN: - Phân tích các vấn đề tồn tại của chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor. - Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM. - Mô phỏng. - 2 - PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT VÀ THYRISTOR I.GIỚI THỆU CHUNG Ngày nay các bộ biến đổi dùng Diot và Thyristor đóng một vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vưc ky thuật điện tử công suất nói riêng và hệ thống điện nói chung. Một bộ chỉnh lưu Diot Thyristor có khả năng biến dòng xoay chiều 50/60Hz thành dòng 1 chiều,dể biến dòng 1 chiều thành xoay chiều ta phải sư dụng 1 bộ chỉnh lưu đặc biệt khác gọi là bộ nghịch lưu. Hiệu suất của các bộ chỉnh lưu này rất cao lên đến 98% do tổn thất trên các thiết bị nhỏ,tổn thất chuyển mạch không đáng kể. Ứng dụng của các bộ chỉnh lưu này rất rộng: • Sử dụng trong các bộ nguồn cỡ nhỏ như các bộ nguồn trong TV máy tính, UPS Hay các bộ nguồn cỡ lớn trong các phương tiện giao thông như tàu điện, xe điện. • Sử dụng trong quá trình điện hoá như mạ, tạo điện cực trong điện phân,bộ nạp ắc quy. • Dùng trong các hệ truyền động 1 chiều • Cấp điện cho các bộ nghịch lưu để điều khiển cho động cơ 1 XC. Làm giao diện cho các hệ thống sử dụng điện khác… - 3 - II.CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CỦA CL ĐỐI VỚI LƯỚI Hình 1.1 1 Hệ số méo DF 1 2 2 1 1,2,3 GThd cua dong co ban GThd cua dong dien tong = hd hd hdn n DF I I I ∞ = = + ∑ (1.1) Đối vớ sóng vuông: 4/ (1/ 2). 2. 2 0.9 d d I DF I π π = = = (1.2) - 4 - 2 Hệ số công suất thay thế DPF s 1 Cong Suat trung binh co ban.Ihd co ban P1 Vs.Is1.Cos = = V s Vs.Is1 = Cos DPF Uhd I φ φ = Hình 1.2 3 Hệ số công suất PF binh cap 2 2 s1 1,2,3 s1 2 2 s1 1,2,3 P1 = Vs I I =Cos I =DPF DF trung cung n n n n P PF P I I φ ∞ = ∞ = = + + × ∑ ∑ Từ chuỗi furier của sóng dòng điện trên tải ta có thể xác đeịnh những chỉ số RF,DPF ,PF như là các hàm của Id được mô tả trong hình 1.1 Đối vơi những tải công suất lớn thì RF sẽ tăng còn PF giảm nghĩa là chất lượng điện năng sẽ xấu đi 4.hệ số méo RF: 1 2 1 2 2 1 2 1 2 −= − = s s s ss I I I II RF - 5 - Bộ biến Vùng công Độ méo Tác dụn Sóngđiềuhoà bậc cao được P/S k max Điện áp lưới U k = 0,05 U k =0,1 U k =0,15 6 5 13 40 35 30 12 11 13 25 20 15 6 5 13 55 50 40 12 11 13 35 25 15 6 5 25 90 70 60 12 11 25 50 35 25 6 5 25 180 140 120 12 11 25 105 70 50 Bảng1: chỉ tiêu độ méo điện áp lưới III. CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Để giải quyết vấn đề sóng điều hoà bậc cao, người ta sử dụng bộ lọc. Bộ lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nó sẽ ngắn mạch dòng điều hoà bậc cao.(Hình 1.8.a) Bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc giải rộng.(Hình 1.8.b) a) b) Hình 1.3 Để khắc phục hệ số cosφ thấp ta dùng các bộ bù cosφ IV.VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT VỚI LƯỚI VÀ TẢI Chỉnh lưu dùng diode, thyristor chỉ cho phép năng lượng đi theo 1 chiều duy nhất. Trong truyền động dùng biến tần cho động cơ xoay chiều. khi năng lượng của động cơ dư thừa( trong quá trình hãm động năng, đảo chiều quay, hay non tải…) năng lương bị dồn ngược lại phía XC,nhưng năng lượng không thể trả về lưới do CL điot chỉ cho phép năng lượng chảy theo 1 chiều duy nhất. Vì vậy ta phải dập năng lượng bằng điện trở mắc ở mạch một chiều. Khi công suất động cơ tăng lên thì điện trở cúng tăng lên điều - 6 - này gây hao phí năng lượng và không áp dụng cho những ĐC có ccông suất rất lớn được.Cách khác là ta phải mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng lại lưới.Cách khắc phục này làm tăng gấp đôi số van và bộ điều khiển sẽ rất phức tạp.Mặt khác khi bộ CL thyristor hoạt động ở chế độ NL góc mở van sẽ lớn hơn π/2 làm cho hệ số cosφ tụt thấp. a) Lưói b) Hình 1.4. Các biện pháp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều b. Mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới Trong trường hợp mắc điện trở, nếu công suất cao thì đòi hỏi điện trở lớn nên sẽ khó khăn trong việc chế tạo và hoạt động. Trong trường hợp mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới sẽ gây tốn kém. Từ đó ta thấy cần phải tìm ra một loại chỉnh lưu mới có thể đáp ứng được các yêu cầu: - Chứa ít sóng điều hoà bậc cao trong lưới. - Hệ số công suất cao. - Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. - 7 - PHẦN II: CHỈNH LƯU PWM Bộ chỉnh lưu PWM có những ưu điểm so với chỉnh lưu dùng diode và thyristor: - Tạo ra ít sóng điều hoà bậc cao nên dòng điện có dạng hình sin hơn. - Hệ số công suất cos =1. - Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. I. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CL PWM - 8 - Hình 2.1 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy 2 chiều • L-filter là bộ lọc thông thường nhất được sủ dụng.ta còn có thể dùng bộ lọc LCL có nhiều ưu điểm hơn do tần số cộng hưởng giảm loại bỏ được điện áp nhiễu trong mạch.Tác dụng của L-filter là tích trữ điện năng • Chỉnh lưu cầu có cấu tạo như 1 bộ nghịch lưu thông thường gồm 6 Tranzito mắc song song ngược vơi 6 diot. Ở điện áp thấp ta thường dùng tranzito IGBT với tần số đóng mở từ vài KHz đến vài chục KHz. Ở điện áp cao ta sử dụng tranzito GTO hoặc IGCT tấn ssố đóng cắt vài trăm HZ • DC-link gồm tụ lọc C 1 chiều.Bao gồm điện áp và dòng điện 1 chiều có tác dụng tách riêng tải vói bộ chỉnh lưu và có tác dụng lọc điện áp 1 chiều trước khi được đưa đến tải tiêu thụ. Các van tranzito được điều khiển thích hợp để tạo ra điện áp pha U1a,U1b,U1c các điện áp này bao gồm điện áp cơ bản và điện áp điều hoà bặc cao.Thành phần điều hoà của Ufa bị ảnh hưởng rất lớn bởi kĩ thuật điều biến để điều khiển tranzito.Quan hệ giữa biên độ và pha của điện áp pha cơ bản trên lưới U2a, U2b, U2c với dòng điện cơ bản trên L i1a, i1b, i1c không đáng kể.Vẫn tồn tại dòng điều hoà được tạo ra bởi điện áp điều hoà tương ứng của bộ CL PWM nhưng về cơ bản độ lớn của sóng điều hoà đã bị giảm - 9 - đi rất nhiều do trở kháng Lcủa bộ lọc L-filter.Trở kháng này tăng lên khi tần số sóng điều hoà tăng Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động: V dcmin >V CL tự nhiên (chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu thyristor với góc mở α=0) Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện, nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới hạn bởi điện áp 1 chiều. Do đó, một dòng điện lớn (năng lượng lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Ta có độ tự cảm lớn nhất được xác định bởi công thức: L< Ld m dc iw E u . 3 2 2 − (2.1) Từ sơ đồ nghuyên lý ta có giản đồ thay thế như sau: L và R là điện cảm của lưới, U L là điện áp lưới và U S là điện áp bộ chuyển đổi có thể điều khiển được từ phía 1 chiều. Biên độ U s phụ thuộc vào chỉ số điều chế và cấp điện áp 1 chiều Phân tích giản đồ vector - 10 - [...]... Hình (d) giới thiệu bộ biến đổi 3 cấp gọi là bộ chỉnh lưu Vienna Ưu điểm chính là điện áp chuyển mạch thấp nhưng không phải là các loại mạch điển hình Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu 3 pha a)Bộ biến đổi tăng thế b )Chỉnh lưu diode với chỉnh lưu hãm tái sinh PWM c )Chỉnh lưu diode với bộ lọc tích cực PWM d )Chỉnh lưu Vienna(3 cấp) - 12 - e )Chỉnh lưu có khả năng đảo ngược (2 cấp) Hình (e) giới thiệu... BẬC CAO Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới hình sin với hệ số công suất bằng 1 Thêm vào đó, chỉnh lưu PWM cung cấp điện áp 1 chiều ổn định và hoạt động như 1 bộ điều hoà tích cực lưới điện dùng để bù sóng điều hoà và công suất phản kháng tại các điểm chồng chéo nhau trong mạng phân bố.Các bộ lọc L-fillter... ảo Hình 2.10 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Hình 2.11 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC IV MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB - 22 - Mô hình hệ thống điều khiển trên môi trường Simulink: Cấu trúc các khối trong sơ đồ Chỉnh lưu PWM Mục đích: Tạo dòng điện 1 chiều khi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và tạo điện áp xoay chiều 3 pha khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu tuỳ theo chế độ hoạt động của tải -... như một bộ chỉnh lưu PWM Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module 3 pha giá thành thấp với năng lượng có khả năng chảy 2 chiều Các nhược điểm của nó là tỉ lệ tăng dòng cao, tổn thất chuyển mạch lớn Nét đặc trưng của toàn bộ các cấu trúc được so sánh trong bảng 2.1 Điều chỉnh điện áp DC đầu ra Chỉnh lưu diode Hình a Méo sóng hài bậc thấp dòng nguồn Dạng dòng điện gần hình sin Chỉnh hệ...Hình 2.2 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM a) Giản đồ pha thông thường b) Chỉnh lưu tại hệ số cống suất bằng 1 c) Hãm tái sinh tại hệ số công suất = 1 Giải thích: Từ giản đồ vector ta thấy, bình thường khi chưa điều khiển góc ε, IL và UL sẽ lệch nhau một góc φ nào đó Ở chế độ chỉnh lưu, ta điều khiển góc ε để có được IL và UL trùng pha nên thu được cosφ =... chiều/xoay chiều Hệ thống phân phối điện năng 1 chiều Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển mạch có thế (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) được mô tả bởi phương trình: u k +1 (2 / 3)u dc e jkπ / 3 = 0 - 14 - với k =0 5 (2.2) Hình 2.4 Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM II.MÔ TẢ TOÁN HỌC Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hình... đầu vào trong hệ toạ độ đồng bộ d-q (hình 2.5) được biểu diễn:  3  2 2 u Ld   E m   u Lα + u L β = 2 = u      Lq  0  0       (2.8) b Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM Điến áp dây đầu vào chỉnh lưu PWM có thể mô tả với sự trợ giúp của hình 2.4 như sau: u Sab = ( S a − S b ).u dc (2.9 a) u Sbc = ( S b − S c ).udc (2.9 b) u Sca = ( S c − S a ).udc (2.9 c) và điện áp pha được tính... = S a ia + S b ib + S c ic − i dc dt (2.15) Kết hợp các phương trình 2.10, 2.11, 2.14, 2.15 ta thu được sơ đồ khối 3 pha như hình 2.6 - 17 - Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM nguồn dòng trong hệ toạ độ tự nhiên d Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tĩnh α-β Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách áp dụng phương trình:  xa  x  =  b  xc    − 1 / 2 − 1 /... dc = (i Lα Sα + i Lβ S β ) − idc dt Trong đó: Sα = 1 6 (2.18) ( 2S a − S b − S c ); S β = Sơ đồ khối của mô hình α-β - 18 - 1 2 (S b − S c ) (2.19) Hình 2.7: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong khung toạ độ α-β e Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung tọa độ d-q Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi phương trình : k d   cos γ UL k  =   q  − sin γ UL sin γ UL   kα ... + Hình d UPF + + + + Hình e UPF + + + + + Bảng 2.1: Đặc trưng của các bộ chỉnh lưu 3 pha Cấu trúc (e) là có nhiều ưu điểm nhất nên đang được phát triển.Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM Nó cho hệ số công suất bằng 1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng hài . bản của chỉnh lưu 3 pha a)Bộ biến đổi tăng thế b )Chỉnh lưu diode với chỉnh lưu hãm tái sinh PWM c )Chỉnh lưu diode với bộ lọc tích cực PWM d )Chỉnh lưu Vienna(3 cấp) - 12 - e )Chỉnh lưu có khả. tại của chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor. - Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM. - Mô phỏng. - 2 - PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT VÀ THYRISTOR I.GIỚI THỆU CHUNG Ngày. lưới và tải 5 PhầnII. Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM I. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM 6 II. Vấn đề về giảm sóng điều hoà bậc cao 7 III. Các cấu trúc điều khiển CL PWM 8 IV. Mô phỏng