Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần

Tùy vào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là các bộ nghịch lưu nguồnápVSIs: Voltage Source Inverters nếu như ngõ ra xoay chiều được điều khiển một

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 4

LỜI CẢM ƠN 5

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 6

Nhận xét của giáo viên phản biện 7

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 8

I Giới thiệu lịch sử biến tần 8

1 Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất 8

2 Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp 8

3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp 8

3.1 Luận chứng kinh tế 9

3.2 Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt 9

4 Phân loại biến tần 9

5 Vai trò biến tần đa bậc 10

II Biến tần trực tiếp 10

1 Giới thiệu 10

2 Phân loại biến tần 11

2.1.Biến tần trực tiếp một pha 11

2.2 Biến tần trực tiếp ba pha 13

2.3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO) 15

2.4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO) 16

2.5 Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter) 18

III Bộ nghịch lưu 19

1.Giới thiệu chung 19

2 Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha 20

2.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu 20

2.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI) 26

3 Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters) 31

3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin 32

3.2 Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave Operation…) 33

3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha 34

3.4 Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based Modulating Techniques) 35

5 Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha 39

5.1 Các bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI: Current Source Inverters) 41

5.2 Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng 42

IV Biến tần đa bậc 45

1.Giới thiệu về biến tần đa bậc 45

1.1 Khái niệm 45

1.2 Neutural point clamped inverter NPC 47

2 Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc) 48

2.1 Cascade Multilevel Inverter 48

2.2 Capacitor Clamped Multilevel Inverter 50

2.3 Cấu trúc phối hợp 51

3 So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc 51

3.1 Phương pháp Sin PWM (Ứng dụng ở tần số khá cao f < 9500Hz) 52

3.2 Switching frequency optimal PWM method( SFO PWM) 53

3.3 Phương pháp vector không gian 54

3.4 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc 54

3.5 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc 59

V Ứng dụng biến tần đa bậc 61

1 Giới thiệu 61

2 Đặc tính cơ của các động cơ điện 61

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song) 61

2.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 62

2.3 Động cơ điện ba pha xoay chiều không đồng bộ (KĐB) 63

3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha KĐB sử dụng biến tần 65

3 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto 65

3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato 66

3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều 66

3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ 67

VI Giới thiệu biến tần ACS 150 67

1 Nguồn cung cấp 67

2.Cấu trúc tổng quan của biến tần ABB 67

3.Chi tiết về sơ đồ kết nối in/ out của biến tần ABB ACS 150 68

4.Cách kết nối nên tránh ở ngõ ra của biến tần 69

5.Sơ đồ kết nối IN/OUT 70

6.Chức năng từng phím trên mặt máy 70

7 MENU chính 71

8.Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “ 72

9 Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ LONG PARAMETER MODE “ : 73

10.Một số sơ đồ kết nối dây IN/ OUT ABB khuyên dùng (macro) 73

10.1 ABB Standard macro 73

10.2 3 wire macro 74

10.3.Alternate Macro 75

10.4 Motor potentiometer macro 75

11 Tín hiệu điều khiển kết nối từ bên ngoài 76

12 Điều khiển 77

12.1 Điều khiển bằng tay với sự hổ trợ màn hình và bàn phím 77

12.2 Điều khiển bằng các thiết bị ngoại vi bên ngoài: ( WIN CC + PLC + MODUL EM 235 ) 77

VII EM235 77

VIII PLC 79

1 Giới thiệu PLC S7-200 79

2 Sơ đồ khối cấu tạo của PLC 80

3 Ứng dụng xuất sung tốc độ cao 80

3.1 Điều rộng xung 50% (PTO) 80

3.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) 81

4 Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC) 81

IX WINCC 84

1 Giới thiệu WinCC (Windows Control Center) 84

2 Khởi động WinCC 84

3 Tạo một Project mới 84

4 Cài đặt Driver kết nối PLC 85

5 Tạo các biến 85

5.1 Biến nội 85

7 Cài đặt thông số cho winCC Runtime 89

CHƯƠNG 2 THỰC HIỆN ĐỒ ÁN 91

I Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển motor 91

II Điều khiển bằng tay 91

III Điều khiển bằng WIN CC + PLC _ MODUL E235 92

1.Cài đặt thông số 92

2 Chương trinh điều khiển PLC + WICC 92

2.1 Chương trình PLC 92

2.2 Tạo Item trong PC Access 97

2.3.Giao diện WINCC: 98

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đãđược ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển được áp dụng nhiềutrong sản xuất công nghiệp không thể thiếu các dây chuyền tự động hóa để vận hành các hệthống phức tạp trong nhà máy Chính vì vậy để hiểu rõ hơn về các dây chuyền tự động đóthì trong đồ án hai này chúng tôi tìm hiểu một ứng dụng của ngành điện tử đặt biệt là lĩnhvực tự động hóa nhằm mục đích mô phỏng các hệ thống đó dưới những linh kiện mà mình

đã được học Cụ thể là trong đồ án này chúng tôi sẽ khảo sát và điều khiển tốc độ động cơthông qua biến tần ACS150 kết hợp với PLC- S7200 và khối mở rộng EM 235

Đề tài “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Dùng Biến Tần ACS 150” có nhiều

loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp của hệ thống Do tài liệu tham khảocòn hạn chế, trình độ của chúng tôi có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên

đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp,giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này chúng em đã được sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướngdẫn và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp Nhân đây chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy

Trần Văn Trinh đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong đồ án này, cùng các thầy cô trong

khoa và các bạn.Chúng em cũng xin cảm ơn nhà trường và gia đình đã tạo mọi điều kiệncho em có thể hoàn thành đề tài này

Sinh viên

Nguyễn Hữu DũngĐặng Minh Hữu

Lê Anh TrườngNguyễn Trí NhânTrương Quang Tường

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Nhận xét của giáo viên phản biện

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

I Giới thiệu lịch sử biến tần

1 Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.

Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tửcông nghiệp Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiện điện

tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có độ tin cậycao Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được những đòi hỏi khắtkhe của điện tử công nghiệp Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu để phátminh ra các linh kiện mới Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời của Transistor do Bardeen,Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956,

đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử Từ đó ngành điện tử pháttriển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất Trong đóngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần sốcao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn,dạng sóng và tần số Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử Còn đối với ngành điện

tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao

để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất

Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của các linhkiện

hiện định mứcĐiện áp Dòng điện định mức Tần số địnhmức Công suấtđịnh mức Điện áp rơithuận

2 Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp

Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiện trênthị trường

3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động

cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chấtlượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệthống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vì thế, việc điềukhiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điềukhiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông sốnguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo

ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải

cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từtrục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của

cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thốngđiều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơtheo phương pháp này

3.1 Luận chứng kinh tế

• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment

• Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% làcác ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng

• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệtốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiếtgiảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ

3.2 Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt

• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

• Giảm tiếng ồn công nghiệp

• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần

số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần sốnguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, khôngdùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển,người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết bịdạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần haibậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do

có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như:điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộbiến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

4 Phân loại biến tần

Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức chuyển đổitần số là:

• Biến tần trực tiếp

• Biến tần gián tiếp

o Nghịch lưu đơn bậc

o Nghịch lưu đa bậc

Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai loại biến tần này, trong phần biến tần

đa bậc chúng ta sẽ đi sâu vào phương pháp vector không gian

Hình 1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian.

5 Vai trò biến tần đa bậc.

Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung vàtại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao nhưng biến tầnđơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:

• Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin

• Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao

• Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao

• Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…

Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc nhằmphục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người Ưu điểm của biến tần đa bậc là khắcphục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần sin hơn vì thếgiảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng chỉ gần Sin nên taphải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc có tổn hao do dungkháng Lf trong bộ lọc thấp Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa bậc còn có tổn hao trongthời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao, công suất tổn hao giảmxuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so với biến tần đơn bậc Trongtương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi công suất cao trong những điềukiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt nhữngđòi hỏi đặt ra

II Biến tần trực tiếp

1 Giới thiệu

Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển đổicông suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổi côngsuất khác Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong thời gian dài vàđược sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và công suất còn thấp.Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off thyristors (GTO), Triac,Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) và Power MosfieldEffect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công suất từ AC-DC sau năm 1980 nângcao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công suất cao Thiết bị nguồn công suất DChoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi SCR được sản xuất Tương ứng với mạchđiều khiển cũng dần dần chuyển từ tương tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm

bàn luận rộng rãi Biến tần trực tiếp AC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất ACsang một nguồn AC khác Các cách thường dùng hay các dạng như sau:

1 Biến đổi điện áp một pha AC/AC

2 Biến đổi điện áp ba pha AC/AC

3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO)

4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)

5 Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO)

6 Biến tần đường bao ( Matrix)

Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơn sang tần

số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ

2 Phân loại biến tần

2.1.Biến tần trực tiếp một pha

Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P và nhóm

âm kí hiệu là N Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-AC với phađiều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịch giữa nguồn

AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng Cặp SCR có thể đượcthay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự bố trí như hình 1.c gồmhai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âm làm đơn giản mạch qua cửacần cho sự cách ly Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốt làm giảm bớt tổn thất nhưng lại tăngthêm sự hao phí vì nhiệt Một sự kết hợp giữa SCR và Điốt như hình 1.e, cung cấp điện ápđiều khiển ngõ ra không đối xứng một chiều với phương thức tự kiểm soát nhưng có cấuthành DC vào và hơn nữa, không thực tế để loại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên củatải

Hình 1 Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR Hình b) Sử dụng Triac Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt Hình d)Một SCR kết hợp với

4 Điốt Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.

Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR

Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thì điện áptải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa

Hình 2 Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở

Hình 3 Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L

Hình 4 Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.

Hình a Thời gian đóng cắt của linh kiện.

Hình b Biểu đồ hệ số công suất

Điện áp ngõ ra có công thức:

Điện áp tức thời

Hệ số công suất (Power factor)

2.2 Biến tần trực tiếp ba pha

Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây

Hình 5 Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC

Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau rấtđơn giản Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b thì chịudòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thì không cao,góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải R Trong hình c

và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển Cả hai mô hình trong mỗi pha có hai

dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn đều có một xung kích khác nhau Sóngđiện áp và dòng gần giống như là của hình b Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúngdẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và mỗi SCR dẫn trong 120 độ Mô hình f thì ít được

sử dụng nhưng nó có dòng lớn và như trong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thểthay thế sáu SCR bằng ba SCR và ba điốt Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tamgiác, hạn chế lớn nhất của hai mô hình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc haibỡi tính không đối xứng

2.3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO)

Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luận nhiều

Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèm theo nhưngđặc tính của nó Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạng sóng điện áp, từ sựgián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần số cao và được phát minh

từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trong các bộ chỉnh lưu ở Đức năm

1930 với nguồn 1 pha tần số 16 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải từ nguồn ba pha tần số 50 Hz.Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratrons cung cấp 400 Hp tải đã hoạt độngtrong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ Tuy nhiên, thực tế và sử dụng có ích làhai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khi SCR ra đời năm 1960 Dưới đây là mô hình

sử dụng SCR:

Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.

Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng vi mạchđiện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện cho nguồn côngsuất có tốc độ chậm Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF) được sử dụng trongcác hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong các hệ thống cán thép và

hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền sản xuất da dày…

Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những đặc tínhcủa nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR và được thaythế dần Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắt không đáp ứng,tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp Hạn chế chính củabiến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biến đổi ngõ vào trên ngõ ra

có điện áp thấp

Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số

Hình 9: Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải

Hình 10: Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoàn

Trong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửa sóngcung cấp một pha tải Nguyên lí điều khiển giống như điều khiển một pha Hình 10 chothấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòng điện liên tục.Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và hai bộ chuyển đổi

để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển Dạng sóng cơ bản sinh ra ở hai bộ chuyển

đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộ biến đổi và điện áp sinh ra bỡi

độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) là dòng liên tục

2.5 Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)

Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên là biến tầnđường bao Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàn toàn như cácđiốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kì làm việc Ta nhậnthấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn các đơn giản hơn bộ biếntần điều khiển pha như trình bày các phần trên Tuy nhiên nó cũng có một vài hạn chế, vìsóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiện điều hòa bậc cao Tỷ số tần số ratrên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý mà phải là số nguyên Một tải có hệ số côngsuất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từng khoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ởchế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch lưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1.Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa chu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyểnmạch các pha một cách tự nhiên để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn

Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.

III Bộ nghịch lưu

1.Giới thiệu chung

Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ ra xoaychiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầu trong cácđộng cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục Với các ngõ ra là sóng sinxoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển Tùy vào loại dạng sóng ngõ

ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là các bộ nghịch lưu nguồnáp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoay chiều được điều khiển một cáchđộc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hết được sử dụng rộng rãi vì chúng hoạtđộng như các nguồn áp và điều này được yêu cầu trong nhiều ứng dụng trong công ngiệptrong đó, các động cơ có thể điều chỉnh được tốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất củacác bộ nghịch lưu, xem hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độ

Tương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs: CurrentSource Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóng dòng điện.Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp có điện áptrung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao

Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từ các bộchuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạo thành từ cácgiá trị rời rạc Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin như mong đợi, nhưng thànhphần cơ bản của nó vẫn hoạt động tốt Hoạt động này nên được đảm bảo bằng một kỹ thuậtđiều chế mà điều khiển về thời gian và trình tự được sử dụng để đóng ngắt các khóa nguồn

On và Off Các kỹ thuật điều chế được sử dụng nhiều nhất là kỹ thuật sóng mang cơ bản(SPWM), kỹ thuật vector không gian (SV: Space Vector), và kỹ thuật hạn chế hài có chọnlọc (SHE: Selective Harmonic Elimlination)

Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) tạo ra một dạng sóng điện áp ra xoay chiều gồm các giátrị rời rạc (dv/dt cao), do đó, tải nên có thành phần cảm kháng tại các tần số hài để tạo ramột dạng sóng dòng điện mịn Tải dung kháng trong các bộ nghịch lưu nguồn áp sẽ tạo racác đỉnh nhọn của dòng lớn (current spikes) Trong trường hợp này, ta nên sử dụng một bộlọc cảm kháng giữa phần xoay chiều của VSI và tải Mặt khác, bộ nghịch lưu nguồn dòng(CSI) tạo ra dạng sóng dòng điện ngõ ra gồm các giá trị rời rạc (di/dt lớn) Do đó, tải nênchứa thành phần dung kháng tại các tần số hài để tạo ra một dạng sóng điện áp mịn Tảicảm trong CSIs sẽ sinh ra các đỉnh nhọn của áp lớn Trong trường hợp này, ta nên dùngmột bộ lọc dung kháng giữa phần xoay chiều của CSI và tải

Dạng sóng điện áp 3 bậc thường không được dùng trong các động cơ có thể điều khiểnđược tốc độ với mức điện áp trung bình vì thành phần dv/dt lớn sẽ thêm vào các cực củađộng cơ Các sự lựa chọn để cải thiện các dạng sóng ngõ ra xoay chiều trong VSIs là cácphương pháp đa bậc (multilevel và multicell) Nguyên tắc cơ bản là tạo ra dạng sóng ngõ ratheo yêu cầu từ các mức điện áp khác nhau, và nó tạo ra các dạng sóng điện áp trung bìnhvới thành phần dv/dt được giảm thiểu Các phương pháp này được phát triển mạnh trongASDs, và chúng cũng thích hợp với bộ lọc tích cực (active filter) và các bộ bù điện áp Các

kỹ thuật điều chế chuyên dụng được phát triển để đóng ngắt số lượng lớn hơn các van côngsuất Trong số các phương pháp điều chế đó, SPWM và SV cơ bản được ứng dụng rất rộngrãi

Trong nhiều ứng dụng, có yêu cầu đưa năng lượng từ phần xoay chiều của bộ nghịchlưu và gửi ngược về phần một chiều Với trường hợp này, mỗi khi ASD cần dừng lại hoặcgiảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảo ngược vì thực tếđiện áp liên kết một chiều là cố định Nếu một tụ điện được dùng để duy trì điện áp liên kếtmột chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tán hoặc được hồi về hệ thốngphân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên từ từ Cách đầu tiên là yêu cầu

tụ điện liên kết một chiều được nối song song với một điện trở, và nó phải được đóng ngătmột cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từ tải của động cơ về dc link Một cách lựachọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệ thống phân phối Tuy nhiên, cách này cần mộtgiao thức đảo ngược dòng được nối giữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều Mộtphương pháp mới là dùng các kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-endrectifer technologies), với chế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống

Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạng nguồn dòng

và áp Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng và áp đều có thểđược giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trong ASDs chuẩn hoặc đượcthay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng có điện áp trung bình Đặc biệt ta

sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế, phương diện điều khiển, hướng ứngdụng Để quá trình phân tích được đơn giản hơn, ta coi như các bộ nghịch lưu là các giaothức không có sự tiêu tốn (gồm các khóa công suất lý tưởng) Tuy nhiên, một vài điều kiệnthực tế, không lý tưởng cũng sẽ được đề cập đến

2 Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha

Các bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu Mặc dùcông suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các bộ cung cấpnguồn (power supplies) UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh có công suât caophức tạp hiện nay (form elaborate high-power static power topologies)

2.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.2 cho ta thấy dạng mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu, 2 tụđiện lớn để tạo ra điểm trung tính N, mỗi tụ điện duy trì một điện áp cố định vi /2 Bởi vìcác hài dòng được sinh ra bởi hoạt động của bộ nghịch lưu là các hài có bậc thấp (low-order harmonics), nên ta cần phải đặt vào các tụ điện lớn (C+ và C- )

Hình 3.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu

Một điều cần lưu ý rằng cả 2 công tắc S+ và S- đều không thể được dẫn đồng thời vì

sẽ gây ra sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi (dc link voltage source) Có haitrạng thái đóng ngắt xác định (trạng thái 1 và 2) và một trạng thái đóng ngắt không xácđịnh (trạng thái 3) như trong bảng 3.1 Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn dc và trạngthái điện áp ngõ ra xoay chiều không xác định, kỹ thuật điều chế nên luôn đảm bảo rằng tạimỗi thời điểm hoặc công tắc trên hoặc chỉ công tắc dưới của bộ nghịch lưu được On

Bảng 3.1 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.3 cho thấy dạng sóng lý tưởng ứng với bộ nghịch lưu bán cầu trong hình 3.2.Các trạng thái của các công tắc S+ và S- được xác định bởi kỹ thuật điều chế, mà trongtrường hợp này là kỹ thuật điều chế sóng mang cơ bản PWM

Hình 3.3 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (ma=0.8, mf =9): (a) các tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S+; (c) trạng thái của công tắc S- ; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay

chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S+ ; (j) dòng của diode D+

2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.

Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo = vAN theonhư dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một cách thích hợpcác khóa công suất Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng mang cơ bản xác địnhcác trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ nghịch lưu bằng cách so sánhmột tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều mong muốn) và một sóng tam giác v∆(tín hiệu sóng mang) Trong thực tế, khi vc > v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt.Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và công tắc S- đóng

Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số fc vàbiên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ Đây là loại điều chế độrộng xung sóng sin (SPWM) Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma (còn được coi là tỉ

số biên độ điều chế) được xác định là:

(3.1)

Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:

(3.2)Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng sóng sin cơbản có chứa hài, với các đặc điểm sau:

a Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thứcsau:

(3.3)

b Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần

số fh xung quanh mf và các bội số của nó h = lmf ± k, l = 1, 2, 3… với k = 2, 4, 6, … ứngvới l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …

c Biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của các hài là một hàm của hệ số điều chế

ma và không phụ thuộc vào tần số sóng mang mf nếu mf > 9

d Các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện với các tần số fp quanh tần số sóngmang mf và các bội số của nó: p = lmf ± k ± 1, l = 1, 2, 3, … với k = 2, 4, 6, … ứng với

l = 1, 3, 5 … và k = 1, 3, 5, … ứng với l = 2, 4, 6, …

Các vấn đề quan trọng cũng cần phải chú ý là:

- Với các giá trị mf nhỏ (mf < 21), tín hiệu sóng mang v∆ và tín hiệu điều chế vc nênđồng bộ với nhau để đảm bảo các đặc tính ở trước Nếu không, các hài bậc ba sẽ xuất hiệntrong điện áp ngõ ra xoay chiều

- Với các giá trị mf lớn (mf >21), các hài bậc ba sẽ không đáng kể nếu sử dụng kỹthuật điều chế độ rộng xung không đồng bộ Tuy nhiên, vì có khả chứa các hài bậc ba cóbậc thấp (low order subharmonics) nên phương pháp này nên tránh sử dụng

- Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) một số chỗ giao nhau giữa sóng mang và sóngđiều chế được bị lệch, điều này dẫn đến sự phát sinh ra các hài bậc thấp nhưng nó chứathành phần cơ bản có mức điện áp ngõ ra xoay chiều cao hơn Không may là, tính chấttuyến tính giữa ma và o1 đạt được trong vùng tuyến tính ở biểu thức (3.3) không được giữtrong vùng ngoài điều chế, hơn nữa, ta có thể thấy được ảnh hưởng của sự bão hòa ở hình

Hình 3.4 Thành phần xoay chiều cơ bản của điện áp ngõ ra trong bộ nghịch lưu

nguồn áp bán cầu với kỹ thuật SPWM

Kỹ thuật PWM cho phép tạo ra một điện áp ngõ ra xoay chiều Trường hợp đặc biệtcủa kỹ thuật này là kỹ thuật SPWM (tín hiệu điều chế là sóng sin) tạo ra trong vùng tuyếntính một điện áp ngõ ra xoay chiều thay đổi tuyến tính theo một hàm của hệ số điều chế và

có các hài với tần số và biên độ được xác định rõ Các đặc điểm này đơn giản hóa cácthành phần của bộ lọc khi thiết kế Tuy nhiên, biên độ tối đa của điện áp xoay chiều củathành phần cơ bản là vi /2 trong chế độ hoạt động này Các mức điện áp cao hơn đạt đượcbằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuy nhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiệntrong điện áp ngõ ra xoay chiều Các giá trị rất lớn của hệ số điều chế (ma > 3.24) điện ápngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó được xem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông

2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique).

Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều Kỹ thuậtnày tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định Hình 3.5 cho tathấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h = 3, 5, 7, 9, … và ứngvới một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của thành phần

cơ bản được cho bởi:

Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật điều chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp ngõ ra xoay

chiều.

2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination):

Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sin vớithành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi và các hàithực chất được loại trừ một cách có chọn lọc Điều này đạt được bằng cách tạo ra một cáchchính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (power valves) Điện áp ngõ raxoay chiều chỉ chứa các hài lẻ (voh = 0, h = 2, 4, 6 …) Tuy nhiên, dạng sóng điện áp mỗipha (vo = vAN trong hình 3.2), nên được đóng ngắt N lần trên mỗi bán kì để điều chỉnhthành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1 trong dạng sóng điện áp ngõ ra Ví dụ, để loại trừcác hài bậc thứ 3 và thứ 5 và điều khiển độ lớn của thành phần cơ bản (N = 3), ta giải quyếtcác biểu thức sau:

(3.8)Các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.6a Các góc được xác định bằng cácphương pháp của thuật toán lặp lại vì không có các kết quả phân tích nào được đưa ra

Hình 3.6 Các dạng sóng lý của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimination): (a) điện áp ngõ ra xoay chiều với sự lọai trừ hài thứ ba và thứ 5; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra xoay chiều với

sự loại trừ hài thứ 3, 5 và 7; (d) phổ của (c).

Các góc 1, 2, và 3 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7a.Công thức chung để loại trừ một số các hài chẵn N-1 (N – 1 = 2, 4, 6, …) là

(3.9)Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2 Tương tự, để hạn chế một số các hài lẻ,

ví dụ, bậc 3, 5 và 7, và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản (N – 1 = 3), ta phảigiải quyết các biểu thức sau:

(3.10)Các góc 1, 2, 3 và4 được xác định như trong hình 4.6b Các góc 1, 2, 3 và4 được đánhdấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7b

Hình 3.7 Các góc đóng ngắt với SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong bộ nghịch lưu nguồn áp nửa cầu: (a) sự loại trừ các hài thứ 3 và 5; (b) sự loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7.

Biểu thức chung để loại trừ một số các hài lẻ N – 1 (N- 1 = 3, 5, 7 … ) được cho bởi:

(3.11)

Để thực hiện kỹ thuật điều chế SHE, bộ điều chế nên tạo ra mô hình cổng tùy theo cácgóc như trong hình 3.7 Nhiệm vụ này luôn được thực hiện bởi các hệ thống số mà nóthông thường chứa các góc trong các bảng tra cứu

2.1.4 Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)

Các tụ điện được xem như là một phần của bộ nghịch lưu và vì vậy một nguồn điệncân bằng tức thời không thể được coi là nhờ các thành phần lưu trữ năng lượng (C+ và C-).Tuy nhiên, nếu ta xem như là bộ nghịch lưu không có sự tiêu tán, năng lượng trung bìnhtiêu thụ bởi tải trong một thời gian phải được cân bằng với giá trị trung bình của nguồncung cấp bằng nguồn dc Vì vậy, ta có:

(3.12)Với T là thời gian của điện áp ngõ ra xoay chiều Với tải cảm và tần số đóng ngắt khácao, dòng tải io thì gần như dạng sin và vì vậy, chỉ có thành phần cơ bản của điện áp ngõ racung cấp đến tải Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều duy trì với giá trị không đổi vi(t) = Vi ,biểu thức (4.12) có thể được đơn giản hóa thành:

(3.13)Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng cơ bản, Io là dòng tải hiệu dụng, f là

hệ số công suất của một tải cảm tùy ý, và Ii là dòng liên kết một chiều mà nó có thể đượcđơn giản hóa tiếp thành:

(3.14)

2.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI)

Hình 3.8 cho ta thấy dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu Bộ nghịchlưu này tương tự với bộ nghịch lưu bán cầu, tuy nhiên, một nhánh thứ hai cung cấp điểmtrung tính cho tải Như ta đã biết, cả hai công tắc S1+ và S1- (hoặc S2+ và S2-) không thểcùng dẫn đồng thời vì sẽ dẫn đến sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi Có 4trạng thái đóng ngắt xác định (1, 2, 3 và 4) và một trạng thái đóng ngắt không xác định nhưtrong bảng 3.2

Hình3.8 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu một pha (Single-phase full-bridge VSI)

Bảng 3.2 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha toàn cầu

Điều kiện không xác định nên được tránh để điện áp ngõ ra xoay chiều luôn có thể xácđịnh được Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn một chiều (dc bus) và trạng thái khôngxác định của điện áp ngõ ra xoay chiều, kỹ thuật điều chế nên đảm bảo rằng cả công tắc ởtrên hay ở dưới của mỗi nhánh đều không cùng dẫn tại bất cứ thời điểm nào Ta có thể thấyrằng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đạt đến giá trị tối đa là điện áp liên kết một chiều vi,

và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu áp bán cầu

Một số kỹ thuật điều chế được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu.Trong số đó là các kỹ thuật PWM (lưỡng cực (bipolar) và đơn cực (unipolar)

2.2.1 Kỹ thuật PWM lưỡng cực

Các trạng thái 1 và 2 (bảng 3.2) được dùng để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều trongphương pháp này Vì vậy, các đặc điểm của dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ có 2giá trị là vi và –vi Để tạo ra các trạng thái này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bảnnhư trong cấu trúc bán cầu (hình 3.3), chỉ dùng một tín hiệu điều chế dạng sóng sin Ta nênchú ý là trạng thái đóng của công tắc S+ trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái

on của cả hai công tắc S1+ và S2- trong dạng toàn cầu Tương tự, trạng thái đóng của côngtắc S- trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1- và S2+trong dạng toàn cầu Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sinlưỡng cực Dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu về

cơ bản là dạng sóng sin, biên độ của thành phần cơ bản o1 thỏa biểu thức sau trong vùngtuyến tính của kỹ thuật điều chế (ma ≤ 1), và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu nguồn ápbán cầu

(3.15)Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) biên độ của thành phần cơ bản o1thỏa biểu thứcsau:

(3.16)

2.2.2 Kỹ thuật PWM đơn cực.

Trái với phương pháp lưỡng cực, kỹ thuật PWM đơn cực dùng các trạng thái 1, 2, 3,

và 4 (bảng 3.2) để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều Vì vậy, dạng sóng điện áp ngõ ra xoaychiều có thể đồng thời đạt được một trong 3 giá trị: vi, -vi, và 0 Để tạo ra các giá trị này, ta

có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong hình 3.9, bằng cách dùng 2 tín hiệu điềuchế dạng sóng sin (vc và –vc ) Tín hiệu vc được dùng để tạo ra vaN, và –vc được dùng đểtạo ra vbN Vì vậy, vbN1 = -vaN1 Mặt khác, vo1 = vaN1 – vbN1 = 2* vaN1; vì vậy, o1=2* aN1=ma*vi Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng sóng sin đơncực

Các kết quả tương tự có thể được rút ra với biên độ của thành phần cơ bản và các hàicủa điện áp xoay chiều ngõ ra và dòng điện liên kết một chiều, và với các chế độ hoạt độngtại các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf, (bao gồm vùng ngoài điều chế (ma > 1)), cao hơn

so với các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu sử dụng phương pháp SPWM lưỡng cực Tuynhiên, bởi vì các điện áp pha (vaN và vbN) bằng nhau nhưng lệch pha nhau 180o, điện ápngõ ra (vo = vab = vaN – vbN) sẽ không chứa các hài chẵn Vì vậy, nếu mf là chẵn, các hàitrong điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh lẻ quanh 2 lần sóng mang chuẩn

mf và các bội số của nó Cụ thể là: h = lmf ± k, l= 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … và các hàitrong dòng liên kết một chiều xuất hiện tại các tần số chuẩn fp xung quanh 2 lần tần sốsóng mang chuẩn mf và các bội số của nó Cụ thể là:

p = lmf ± k ± 1, l = 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … Đặc điểm này được xem như là một ưu điểmbởi vì nó cho phép sử dụng các thành phần của bộ lọc nhỏ hơn để đạt được dạng sóng điện

áp và dòng điện có chất lượng cao với cùng tần số đóng ngắt như các bộ nghịch lưu nguồn

áp sử dụng phương pháp lưỡng cực

a Sự loại trừ hài có chọn lọc

Trái với các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu, phương pháp này được áp dụng cho mỗiloại dây (per- line fashion) cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu Điện áp ngõ ra xoaychiều chỉ chứa các hài lẻ Hơn nữa, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều (vo = vab tronghình 4.8) nên có N xung trên mỗi bán kù để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ cáchài N-1 Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7 và để điều khiển biên độ của thành phần cơbản N=4), ta giải quyết các biểu thức sau:

(3.19)

Hình 3.9 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng với kỹ thuật SPWM đơn cực (ma = 0.8, mf = 8): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng thái của công tắc S1+; (c) trạng thái của công tắc S2+; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S1+; (j) dòng diode D1+.

Với các góc 1, 2, 3 và 4 được xác định như trong hình 3.10 (a) Các góc 1, 2, 3 và 4được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 3.11a Công thức chung đểloại trừ một số các hài một cách tùy ý N-1 (N – 1 = 3, 5, 7, …) là

(3.20)Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2 Hình 3.10c cho biết một trường hợp đặcbiệt chỉ điện áp ngõ ra xoay chiều là được điều khiển Điều này được biết như là điều khiểnngõ ra bằng sự xóa bỏ điện áp bắt nguồn từ thực tế là sự thực thi của nó có thể đạt được

một cách dễ dàng bằng cách dùng 2 tín hiệu chuyển mạch dạng sóng vuông dịch pha nhaunhư trong hình 3.12.

Hình 3.10 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 3, 5 và 7 của điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra ac với sự điều khiển cơ bản; (d) chuỗi(phổ) của (c).

Hình 3.11 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản của các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu: (a) sự điều khiển cơ bản và sự loại trừ hài thứ 3,

5, 7; (b) điều khiển cơ bản

Góc dịch pha trở thành 2* 1 (hình 3.11b) Vì vậy, biên độ của thành phần cơ bản vàcủa các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều được cho bởi:

(3.21)

Ta cũng có thể thấy trong hình 3.12c để 1 = 0 thì cần phải đạt được sóng vuông Trongtrường hợp này, điện áp ngõ ra xoay chiều cơ bản theo công thức:

(3.22)Với điện áp tải cơ bản có thể được điều khiển bằng cách sử dụng điện áp liên kết mộtchiều

Hình 3.12 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng ứng với sự điều khiển điện áp bằng sự xóa bỏ điện áp: (a) trạng thái của công tắc S1+; (b) trạng thái của công tắc S2+; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của (c) switch S1 state; (b) switch S2 state; (c)

b Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)

Vì thực tế là bộ nghịch lưu được xem như là không só sự tiêu tán và được cấu tạokhông chứa các linh kiện tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời bằng nhau:

(3.23)Đối với tải cảm và tần số đóng ngắt khá cao, dòng tải io gần như dạng sin Với phéptoán xấp xỉ, điện áp ngõ ra xoay chiều cũng có thể được xem như là dạng sóng sin Mặtkhác, nếu điện áp liên kết một chiều là hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.23) có thể được đơngiản thành:

(3.24)Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng, Io là dòng điện tải hiệu dụng, và f là

hệ số công suất của tải cảm bất kỳ Vì vậy, dòng liên kết một chiều có thể được rút gọntiếp thành:

(3.25)Điều quan trọng cần chú ý là sự có mặt của hài bậc 2 trong dòng liên kết một chiều(biên độ của nó tương tự với dòng liên kết một chiều) Hài thứ 2 này được đưa về nguồn áp

dc, vì vậy, khi thiết kế nên xét đến nó để đảm bảo là điện áp liên kết một chiều gần như là

cố định Trong thực tế, nguồn áp dc đòi hỏi có số lượng lớn các tụ điện (chi phí cao, tốnkhông gian, nhiều đặc tính phức tạp đặc biệt đối với các nguồn cung cấp có công suất trungbình và cao)

3 Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters)

Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp

và các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất trungbình và cao Mục đích chính của các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cung cấp một nguồn

áp 3 pha với biên độ, pha và tần số của điện áp có thể điều khiển được Mặc dù hầu hết cácứng dụng đều đòi hỏi dạng sóng điện áp hình sin (ví dụ: ASDs, UPSs, FACTS, varcompensators), nhưng các điện áp bất kỳ cũng được yêu cầu trong một số ứng dụng (ví dụ:các bộ lọc tích cực, các bộ bù điện áp)

Dạng mạch chuẩn của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như trong hình 3.13 và 8 trạngthái đóng ngắt được cho trong bảng 3.3 Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, các côngtắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu (S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2 không thểđóng đồng thời vì nó sẽ gây nên sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều Tương tự,

để tránh các trạng thái không xác định trong bộ nghịch lưu áp, và các điện áp dây ngõ raxoay chiều không xác định, các công tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu đềukhông thể ngắt đồng thời và vì vậy, điều này sẽ dẫn đến kết quả là điện áp sẽ phụ thuộc vàocực của dòng điện dây tương ứng

Hình 3.13 Dạng mạch của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Bảng 3.3 Các trạng thái đóng ngắt hợp lý của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Trong số 8 trạng thái ở bảng 4.3, có 2 trạng thái (7 và 8) tạo ra điện áp dây xoay chiềubằng 0 Trong trường hợp này, các dòng điện dây xoay chiều sẽ được dẫn qua một trongcác linh kiện ở trên hoặc ở dưới Các trạng thái còn lại (1 đến 6 trong bảng 4.3) tạo ra cácmức điện áp ngõ ra xoay chiều khác 0 Để tạo ra dạng sóng điện áp như mong muốn thì bộnghịch lưu phải chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Vì vậy, kết quả là điện ápngõ ra xoay chiều bao gồm các giá trị rời rạc: vi, 0 và –vi Việc lựa chọn các trạng thái đểtạo ra dạng sóng như mong muốn được thực hiện bởi kỹ thuật điều chế cần đảm bảo là chỉ

sử dụng các trạng thái thích hợp

3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin

Đây là phần mở rộng của kỹ thuật SPWM trong các bộ nghịch lưu áp một pha Trongtrường hợp này, để tạo ra các điện áp của tải lệch pha nhau một góc 120o, ta cần sử dụng 3tín hiệu điều chế lệch pha nhau 120o Hình 3.14 cho thấy dạng sóng lý tưởng của bộ nghịchlưu áp ba pha với kỹ thuật điều chế SPWM Để sử dụng một tín hiệu sóng mang và để đảmbảo các đặc điểm của kỹ thuật điều chế độ rộng xumg, tần số sóng mang chuẩn mf nên làcác giá trị lẻ và là bội số của 3 Vì vậy, tất cả các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) đều bằngnhau nhưng lệch pha nhau 1200 và không chứa hài; hơn nữa, các hài tại các tần số là bội

(3.26)Thì hài thứ 9 trong pha bN sẽ là:

(3.27)

Vì vậy, điện áp dây ngõ ra xoay chiều vab = vaN –vbN sẽ không chứa hài thứ 9 Vìvậy, với các giá trị là bội số lẻ của 3 của tần số sóng mang chuẩn mf, các hài trong điện ápngõ ra xoay chiều sẽ xuất hiện tại các tần số chuẩn fh và các bội số của nó, cụ thể là:

(3.28)Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy hkhông là bội của 3 Vì vậy, các hài sẽ là mf ± 2, mf ± 4, … 2mf ±1, 2mf ±2, … 3mf ±2,3mf ±4, … 4mf ±1, 4mf ±5,…

Để dòng điện tải gần như dạng sóng sin, các hài trong dòng liên kết dc tại các tần sốđược cho bởi:

(3.29)Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … nhưvậy h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3 Ví dụ, hình 3.14h cho ta thấy hài thứ 6(h=6), vì h=1*9 -2-1=6 Các kết quả tương tự có thể được đưa ra với các giá trị lớn và nhỏcủa mf như với các cấu hình 1 pha Tuy nhiên, bởi vì biên độ tối đa của điện áp pha cơ bảntrong vùng tuyến tính (ma ≤1) là vi/2, nên biên độ tối đa của điện áp dây ngõ ra xoay chiều

áp tải ngoại trừ bằng phương pháp của điện áp liên kết dc vi Biểu thức của điện áp dâyxoay chiều cơ bản:

(3.32)

Điện áp dây ngõ ra xoay chiều có chứa các hài fh, với h=6*k±1 (k= 1, 2, 3, … ) và vàbiên độ của chúng tỉ lệ nghịch với bậc của hài (hình 3.15d) Công thức của các biên độ đólà:

(3.33)

Hình 3.14 Chế độ hoạt động sóng vuông của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) trạng thái của công tắc S1; (b) trạng thái của công tắc S3; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của điện áp ngõ ra xoay chiều.

3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.

Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc có thể được

áp dụng với các bộ nghịch lưu áp 3 pha Trong trường hợp này, các khóa công suất của mỗinhánh của bộ nghịch lưu được đóng ngắt để loại trừ một số các hài cho trước và để điềukhiển biên độ của điện áp pha Trong nhiều ứng dụng, các điện áp dây ngõ ra nên cân bằng

và lệch pha nhau 1200, các hài là bội số của 3 (h= 3, 9,15, …) có thể được có mặt trong cácđiện áp pha (vaN, vbN, vcN) và sẽ không xuất hiện trong các điện áp tải (vab, vbc, vca) Vìvậy, các hài này không cần phải loại trừ, vì các góc đóng ngắt được dùng để chỉ loại trừ cáchài tại các tần số h= 5, 7, 11, 13, …

Biểu thức để loại trừ một số hài được chọn cũng giống với các biểu thức được dùngtrong các bộ nghịch lưu 1 pha Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 5, 7 và để điều khiển biên độ

cơ bản (N=3), ta giải các phương trình sau:

(3.34)Với các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.16(a) và được đánh dấu nhưtrong hình 3.17 Hình 3.16b cho thấy rằng, các hài thứ 3, 9, 15, … luôn có mặt trong cácđiện áp pha; tuy nhiên, chúng không xuất hiện trong các điện áp dây (hình 3.16d)

Hình 3.15 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp 3 pha ứng với kỹ thuật SHE: (a)

sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp pha vaN; (b) phổ của (a); (c) sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp dây vab; (d) phổ của (c).

Hình 3.16 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha: sự loại trừ hài thứ 5 và 7.

3.4 Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based

3.4.1 Sự chuyển đổi vector không gian

Bất sự thay đổi trong nhóm 3 pha mà nó tăng thêm đối với các khung cố định abc

có thể được biểu diễn trong một mặt phẳng phức bởi một vector tổng hợp bao gồm mộtthành phần thực () và một thành phần phức ( i) Ví dụ, vector của các tín hiệu điều chế dây

3 pha là có thể được biểu diễn bằng vector tổng hợp

bằng các phương pháp chuyển đổi sau:

(3.35)

(3.36)Nếu các tín hiệu điều chế dây [vc]abc là ba dạng sóng sin cân bằng cùng một biên độ

c và tần số góc , các tín hiệu điều chế được tạo thành trong khung khung tĩnh Vc = [vc ]trở thành một vector của môđun c cố định, và nó quay với tần số (hình 3.18) Tương tự,

sự chuyển đổi vector không gian được áp dụng trong các điện áp dây của 8 trạng thái của

bộ nghịch lưu áp đối với vi (bảng 3.3), mà nó tạo ra 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …8)trong hình 3.18 Như được mong đợi, V1 đến V6 là các vector điện áp dây có giá trị(nonnull) và V7 vàV8 là các vector điện áp dây vô hiệu

Hình 3.17 Sự biểu diễn của vector không gian

Mục đích của kỹ thuật vector không gian thì gần giống với tín hiệu điều chế Vc với 8vector không gian (Vi, i= 1, 2, …, 8) có sẵn trong các bộ nghịch lưu Tuy nhiên, nếu tínhiệu điều chế Vc được thiết lập giữa 2 vector bất kỳ Vi và Vi+1, thì chỉ nên dùng 2 vectorkhác 0 gần nhất (Vi, Vi+1) và 1 vector không gian zero (Vz = v7 hoặc V8) Vì vậy, điện áptải tối đa được tối đa hóa và tần số đóng cắt được tối thiểu hóa Để đảm bảo là điện áp đượctạo ra trong khoảng thời gian lấy mẫu Ts (các điện áp được qui định bởi các vector Vi,Vi+1, và Vz được dùng trong các khoảng thời gian Ti, Ti+1, và Tz) thì bằng với vector Vc,

ta có biểu thức sau:

(3.37)Kết quả của phần thực và phần ảo của biểu thức (3.37) ứng với điện áp dây của tải,biên độ bị giới hạn trong khoảng: 0 ≤ c ≤ 1 từ đó:

Ti = Ts * c * sin(π/3 - ) (3.38)Ti+1 = Ts * c *sin() (3.39)

Các biểu thức ở trước xác định rằng biên độ tối đa của điện áp dây cơ bản là duy nhấtkhi 0 ≤ ≤ π /3 Đây là điểm lợi thế hơn so với kỹ thuật SPWM và biên độ tối đa của điện

áp dây cơ bản là a trong vùng hoạt động tuyến tính Mặc dù, kỹ thuật điều chế vectorkhông gian chọn lọc các vector được sử dụng và tương ứng với với từng thời điểm chínhxác, nhưng sự lựa chọn của vector không gian zero và tần số lấy mẫu chuẩn vẫn chưa xácđịnh được

Chẳng hạn như, nếu vector điện áp dây đang điều chế là vector 1 (hình 3.18), cácvector V1, V2, và Vz nên được sử dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu lần lượt là T1, T2,

và Tz Vẫn còn vấn đề được đặt ra là các chuỗi (i) V1 – V2 – Vz, (ii) Vz – V1 – V2 – Vz,(iii) Vz – V1 – V2 – V1 – Vz, (iv) Vz – V1 – V2 – Vz – V2 – V1 – Vz , hoặc bất kỳ cácchuỗi nào khác thì thực tế là ta nên dùng chuỗi nào Và cuối cùng, kỹ thuật này không xácđịnh được là vector zero nào ta nên dùng: V7, V8, hay là tổng hợp của 2 vector này

3.4.2 Sự lựa chọn chuỗi vector không gian và vector zero

Chuỗi được dùng nên đảm bảo là các điện áp dây của tải có đặc tính đối xứng theo gócphần tư (quarter-wave symetry) để giảm các hài không mong muốn trong các chuỗi củachúng (các hài chẵn) Thêm vào đó, nên được thực hiện việc lựa chọn vector không gianzero để giảm tần số đóng cắt Mặc dù đây không là một phương pháp đối xứng để tạo ramột chuỗi vector không gian, sự biểu diễn đồ thị cho tha thấy rằng các chuỗi Vi, Vi+1, Vz(với Vz được lựa chọn luân phiên giữa V7 và V8) sẽ cho ta hiệu suất cao hơn trong việcgiảm thiểu các hài không mong muốn và giảm tần số đóng cắt

a.Tần số lấy mẫu chuẩn.

Tần số sóng mang chuẩn mf trong các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơbản 3 pha được chọn là một số nguyên lẻ bội của 3 (mf = 3*n; n= 1, 3, 5, … ) Vì vậy, ta cóthể giảm thiểu các hài kí sinh hoặc các hài không có ích trong các dạng sóng PWM Mộtphương pháp tương tự có thể được sử dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian đểgiảm thiểu các hài không mong muốn Do đó, ta chọn tần số lấy mẫu chuẩn fsn nên là một

số nguyên là bội của 6 Để tạo ra các điện áp dây cân xứng, tất cả các cung (sector) (tổng là6) nên được dùng như nhau trong mỗi chu kì Ví dụ, trong hình 3.19 cho ta thấy các dạngsóng có liên quan của bộ nghịch lưu áp dùng kỹ thuật vector không gian ứng với fsn = 18

và c = 0.8 Hình 3.19 chứng thực rằng các hài đáng chú ý đầu tiên trong điện áp dây củatải là tại tần số fsn, và tần số này cũng chính là tần số đóng cắt

Hình 3.18 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha ứng với kỹ thuật điều chế vector không gian ( c = 0.8, fsn = 18): (a) các tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1, (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1.

b Dòng liên kết một chiều trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha

Vì ta xem như bộ nghịch lưu là thiết bị không tiêu tán và cấu tạo của nó không chứacác thành phần tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời được xác định như sau:

(3.41)Với ia(t), ib(t), ic(t) là các dòng điện pha của tải, xem hình 4.20 Nếu tải là cân bằng và

là tải cảm, tần số đóng cắt tương đối cao thì các dòng điện tải gần như là các dạng sóng sincân bằng Mặt khác, nếu các điện áp ngõ ra xoay chiều được xem như là dạng sin và điện

áp liên kết một chiều được coi như là một hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.41) được đơn giảnthành:

Với Vo1 là điện áp dây ngõ ra hiệu dụng cơ bản, Io là dòng điện pha hiệu dụng của tải,

và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ Như vậy, biểu thức của dòng điện liên kết mộtchiều được rút gọn tiếp thành:

(3.43)Với Il= là dòng điện dây hiệu dụng của tải Kết quả của biểu thức dòng điện liênkết một chiều cho thấy các điện áp tải không chứa hài bậc thấp, so với các bộ nghịch lưu ápmột pha thì ở đây không xuất hiện hài bậc hai Tuy nhiên, vì các điện áp dây của tải cóchứa các hài xung quanh tần số lấy mẫu chuẩn fsn, dòng điện liên kết một chiều sẽ vẫnchứa các hài nhưng xung quanh tần số fsn như trong hình 3.19h

Hình 3.19 Các dòng điện pha của tải được nối dạng tam giác (kiểu nối delta-∆)

5 Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha

Đôi khi tải được mắc dạng sao (Y) và các điện áp pha của tải là van, vbn, vcn (hình4.21)

Hình 3.20 Các điện áp pha của tải được mắc dạng hình sao (Y)

Để xác định được chúng, ta nên xem các vector điện áp dây là:

(3.44)Vector của điện áp dây có thể được viêt như là một hàm cảu vector điện áp pha [vanvbn vcn]T như là:

(3.45)

Biểu thức (3.45) trình bày một hệ thống tuyến tính với ẩn số là vector [van vbn vcn]T.Nhưng hệ thống này ,vì vậy, các điện áp pha của tải không thể xác định bằng phương pháp

ma trận đảo Tuy nhiên, nếu các điện áp pha , biểu thức (3.45) có thể được viết lại thành: