ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG Chuong 5 nghich luu va bien tan

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN CHƯƠNG Phân loại nghịch lưu Khảo sát nghịch lưu nguồn dòng Khảo sát nghịch lưu nguồn áp Điều khiển áp hạn chế sóng hài Nghịch lưu cộng hưởng Mạch điều khiển nghịch lưu Biến tần Ứng dụng Tóm tắt chương Nghịch lưu độc lập (còn gọi nghịch lưu ô-tô-nôm – autonomous) biến đổi điện chiều xoay chiều với điện áp tần số ngỏ định, cung cấp cho tải xoay chiều, phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc chế độ đặc biệt chỉnh lưu điều khiển pha, cho phép chuyển lượng từ phía chiều lưới xoay chiều vốn có điện áp tần số cố định (chế đđộ nghịch lưu, mục III.4.5) Khác với BBĐ khảo sát chương trước, có nhiều sơ đồ nghịch lưu khác Ngay sơ đồ động lực, dùng nhiều cách điều khiển để thay đổi chế độ làm việc, đáp ứng dạng tải công nghiệp Vì phần đầu chương dành cho phân loại nghịch lưu, giới thiệu họ sơ đồ nghịch lưu trước khảo sát nghịch lưu nguồn áp trọng tâm chương Các nghịch lưu cộng hưởng, dạng biến đổi quan trọng cho nghịch lưu tần số cao giới thiệu V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU: Nghịch lưu song song nối tiếp: theo vị trí C tắt SCR Là dạng nghịch lưu sử dụng SCR làm ngắt điện, sử dụng tụ điện mạch tải để chuyển mạch Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L điện dung C tạo thành mạch cộng hưởng LCR, làm cho dòng qua SCR giảm zero SCR tự tắt Hình V.1.1 bao gồm hai mạch nghịch lưu song song: sơ đồ cầu (a), sơ đồ ghép biến áp (b), ( c) tương ứng với nghịch lưu nối tiếp + uo L SCR1 + U SCR2 - (a) + + C U SCR4 + _ L C R _ L1 T SCR3 _ U _ SCR1 (b) SCR2 SCR1 Trang chuong nghich luu va bien tan.doc C SCR2 uo ( c) Hình V.1.1: Nghịch lưu nối tiếp (c) song song (a sơ đồ cầu; b sơ đồ biến áp có điểm giữa) a Nghịch lưu song song: (hình V.1.1.a b) L2 R u Dạng sóng phần u U +U tử sơ đồ V.1.1.a iO t vẽ hình V.1.2.a Các -U SCR SCR có i dạng xung kích i i i SCR vaø SCR3 Khi SCR u SCR dẫn điện, tụ điện u C nạp đến điện áp có t tq cực tính hình vẽ Điện áp đặt điện áp (a) (b) âm vào SCR SCR 4, làm tắt chúng ta kích Hình V.1.2: Dạng áp, dòng NL nối tiếp (a) song song (b) SCR2 SCR3 Tự cảm L đầu vào cách ly nguồn cầu chỉnh lưu, làm cho dòng điện cung cấp vào cầu chỉnh lưu không thay đổi tức thời, tránh khả chập mạch tạm thời qua SCR vaø SCR (hay SCR vaø SCR 4) SCR chuyển mạch C C GT1 GT1 GT2 GT2 L1 T1 Do có tự cảm nghịch lưu nguồn nên trị số dạng áp ngỏ thay đổi theo đặc tính tải Trên hình V.1.2b, áp không dạng xung vuông gần giống hình sin tải có tự cảm (tải RL) b Nghịch lưu nối tiếp: (hình V.1.1.c) Mạch điện hình V.1.1.c dạng đơn giản nhấùt nhóm mạch nghịch lưu nối tiếp, có mạch tương đương LCR nối tiếp SCR dẫn điện Khi SCR kích, dòng qua mạch không áp tụ điện đạt giá trị cực đại (có dấu mạch điện) SCR tự tắt Khi SCR kích, tụ điện phóng qua dòng không áp tụ điện đảo cực tính, chuẩn bị cho chu kỳ – dạng sóng hình V.1.2.a Hai mạch nghịch lưu dùng làm nguồn trung hay cao tần Ngoài nhiệm vụ tắt (chuyển mạch) SCR, tụ điện hai nghịch lưu phận tải, góp phần vào việc cải thiện hệ số công suất mạch Vì mạch gọi nghịch lưu chuyển mạch tải Nghịch lưu nguồn dòng nguồn áp: a Nghịch lưu nguồn dòng: + i N L =∞ N S1 U _ S2 i R i S3 o Taûi RL u C i S4 o u C i L io i N C O C 2π wt π L Mạch tương đương (C tụ chuyển mạch) - iN Hình V.1.3 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng dạng dòng ngỏ biến đổi Là mạch nghịch lưu có L vô ngỏ vào, làm cho tổng trở nguồn có giá trị lớn: mạch làm việc với nguồn dòng Như hai mạch nghịch lưu song song hình V.1.1a b có dạng nghịch lưu nguồn dòng tự cảm nguồn đủ lớn Hình V.1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch tương đương dòng ngỏ NL nguồn dòng pha tải RL Dòng nguồn iN phẳng, không đổi giá trị tải, đóng ngắt thành dòng xoay chiều cung cấp cho tải: Trang chuong nghich luu va bien tan.doc S1, S4 đóng: iO = iN > ; S2, S3 đóng: iO = - iN < Vậy tải nhận dòng điện AC xung vuông có biên độ iN phụ thuộc tải Công suất tải tiêu thụ công suất cung cấp nguồn BBĐ gồm ngắt điện điện tử không tiêu thụ lượng: Po = U.iN b Nghịch lưu nguồn áp: Ngược với sơ đồ nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp có tụ điện giá trị lớn (lý tưởng vô cùng) nối song song với ngỏ vào nghịch lưu, làm cho tổng trở nguồn không, nhờ mà nguồn có khả cung cấp nhận dòng không giới hạn Cũng với yêu cầu này, ngắt điện nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược Diod cho phép dòng qua tải chạy hai chiều ngắt điện làm việc (ở nghịch lưu nguồn dòng, dòng chạy chiều từ nguồn qua tải) Nhờ biên độ áp bị giới hạn áp nguồn ngắt điện hay diod dẫn điện Vì ta gọi nghịch lưu nguồn áp Hình V.1.4 trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch tương đương dạng áp NL nguồn áp pha Có thể nhận xét BBĐ áp chiều làm việc phần tư mặt phẳng tải NL nguồn áp pha điều khiển cho trị trung bình áp Áp nguồn chiều đóng ngắt thành xung áp hình vuông để cung cấp cho tải i o + S1 i Taûi RL o U C _ u o S2 S4 V R S3 π u o L wt π -V Mạ ch tương đương Hình V.1.4 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng dạng áp ngỏ biến đổi có hạn chế sóng hài bậc cao So sánh Nghịch lưu nguồn dòng Nghịch lưu nguồn áp Ngỏ vào Nguồn Tải L=∞ Nguồn dòng Dòng xung vuông Áp thay đổi theo tải chiều, từ nguồn đến tải C=∞ Nguồn áp Áp xung vuông, giới hạn biên độ nguồn Dòng thay đổi theo tải chiêù, nguồn trao đổi với tải Năng lượng V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG: Sơ đồ pha : - Khảo sát trường hợp đơn giản: tải R, tự cảm nguồn lớn Mạch điện hình V.1.1(a) (b) cho ta dạng NL nguồn dòng pha việc tần số cao Tụ C tạo khả chuyển mạch nghịch lưu SCR kích cung cấp xung dòng dương cho tải , nạp tụ C theo cực tính hình vẽ chuẩn bị tắt chúng theo nguyên tắt chuyển mạch cứng Kích SCR làm SCR tắt cung cấp xung dòng âm cho tải Trang chuong nghich luu va bien tan.doc Khảo sát chu kỳ tựa xác lập mạch điện hình V.1.1.a: L + LN có trị số lớn ⇒ dòng nguồn phẳng, I SCR3 SCR1 Kích SCR 4, có phương trình: U u du I = o + C o với uo (0) = +U C giá trị đầu R dt − t / RC ⇒ uo = A + Be ;uo (0) = + VC = A + B C R SCR2 _ SCR4 Hình V.1.1a: Nghịch lưu nguồn dòng tải R T sau 1/2 chu kỳ, uo ( ) = −U C (vì tính đối xứng) − T / RC ⇒ −U C = A + Be Tích phân công suất qua cuộn dây L N chu kỳ: PL = = T/2 T/2 I (U − uo ) dt => ∫ (U − uo ) dt = ∫ T T T/2 hay T/2 UT ⎡ ⎤ uo dt = U ⇒ Be− t / RC ⎥ = ⎢ At − ∫ T RC ⎣ ⎦0 suy ra: U (1 + e− T / RC − 2e− t / RC ) uo (t) = − e− T / RC ) ( (1 + e−T / RC ) − RC T chuyển hệ đơn vị tương đối, đặt θ = ω t = 2π t; k = wRC: T uo (θ ) + e−π / k − 2e−θ / k = 2k U −π / k −π / k e e 1 + − − ( ) ( ) π Đồ thị điện áp phần tử áp tải hệ đơn vị tương đối uO(θ)/V với giá trị k khác trình bày hình V.2.1 (a) (b) Nhận xét quan hệ có dạng hàm mũ, thời gian uO < thời gian đảm bảo tắt tq cho SCR (a) (b) Hình V.2.1: (a) dạng áp, dòng qua phần tử (b) uO(θ)/U với giá trị k khác Trang chuong nghich luu va bien tan.doc L + SCR1 SCR3 C1 D1+ - u C D3 u C R U D2 t D4 t C2 _ + SCR2 - SCR4 Không Diod chặn Có Diod chặn Hình V.2.2.(a) mạch động lực (b) dạng áp có diod chặn Bài tập V.2.1: tính giá trị tq, tính giá trị I dòng chảy qua nguồn Hướng dẫn: uO(tq) =0 => + e− T / RC − 2e− tq / RC = ⇒ tq P = U I = T / uO2 T / uO2 dt => I = dt T ∫0 R UT ∫0 R - Khảo sát trường hợp thực tế: tải RL, điện kháng nguồn không vô lớn Khi dạng dòng, áp có tính dao động, áp tụ C sau qua giá trị cực đại giảm xuống, kéo theo giảm tq, tần số làm việc thấp Khi đó, người ta dùng diod chặn (D1 – D4), cho phép giữ áp tụ giá trị cực đại - hình V.2.2 (a) (b) - Khảo sát gần nghịch lưu nguồn dòng: Trong thực tế, tải thường RL Khi tính toán gần đúng, ta có giả thiết sau dù điện kháng nguồn không lớn vô cùng: * Dòng tải iO xung hình vuông, có biên độ dòng nguồn I * Tụ C tải RL làm thành mắc lọc cộng hưởng, làm cho áp tải uC có dạng hình sin có sóng hài bậc dòng tải i1 tạo công suất L i L i iC uo C R Mạch tương đương gần vẽ hình Mạch tương đương (gần đúng) V.2.3.a xét thành phần (bậc 1) Hình V.2.3.b cho ta vector: UC áp ra, I1 hài Hình V.2.3.a dòng iO; IC , IL dòng qua C tải RL, ta có: UC áp ra, lệch dòng IL góc φ tải RL I1 sớm pha UC góc β để có áp âm cần thiết tắt SCR (phần gạch đứng tronghình V.2.3.c) U io U C I i IC β I β φ IL β uo -I SCR dẫn Hình V.2.3.b vaø c Trang π 2π chuong nghich luu va bien tan.doc | kích SCR wt Ta có - góc lệch pha β = ω.tq - Hiệu dụng hài bậc dòng tải iO laø I1 = a a= 2 π I với a = sơ đồ pha sơ đồ pha ( dùng công thức phần V.3.1, hình V.3.1) Từ đồ thị vec tơ, ta có: 1− tan β = IL sin φ IC IC − I L sin φ I Y 1 − B.sin φ , = = với B = L = L = IL IC YC ω C.Z I L cos φ B.cos φ cos φ IC ⎛ − B sin φ ⎞ Z tổng trở tải RL, Z = R2 + (wL) ta có β = tan −1 ⎜ ⎟ Để tính dòng, áp ta ⎝ B cos φ ⎠ tính công suất P hai cách từ nguồn chiều (cung cấp) tải (tiêu thụ) xem hiệu suất hệ thống 1: 2 π U P = U I = U C I1.cos β = U C a I.cos β ⇒ U C = π a.2 cos β Từ áp ngỏ UC suy công suất P mạch dòng nguồn I Bài tập V.2.2: Tính mạch nghịch lưu nguồn dòng sơ đồ pha Áp nguồn chiều 500 V, tần số làm việc KHz, R = 15 ohm L = 0.001 H - Tính giá trị điện dung C để đảm bảo thời gian tắt SCR 30 μsec - Tính giá trị hiệu dụng áp UC, suy công suất tải P dòng nguồn I Sơ đồ ba pha : (hình V.2.4.b) Để tạo hệ thống ba pha, ngắt điện phải Logic ba pha: đóng ngắt theo thứ tự không thay đổi ( hai ngắt điện làm việc lúc ) hệ thống ba pha, gọi LOGIC BA PHA Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng logic ba pha có hai ngắt điện nhóm + S1 −> S2 −> S3 −> S1 làm việc lúc Đây thứ tự điều khiển nhóm − S6 −> S4 −> S5 −> S6 SCR chỉnh lưu cầu ba pha Nhận xét chung S1 −> S6 −> S2 −> S4 −> S3 −> S5 có hai ngắt điện làm việc lúc dòng nguồn không đổi (nguồn dòng) chạy qua SCR nhóm + SCR nhóm – Ví dụ S1, S6 dẫn, S2 kích làm tắt S1 (Hình V.2.4.a) S1 S5 S2 S6 S4 iA t S3 + i N S5 L =∞ S1 U uA S4 _ (a) i S2 A S5 i B S3 i C S6 (b) Hình V.2.4: Dạng áp, dòng NL nguồn dòng pha (a) mạch động lực (b) Hình V.2.4 cho ta dạng sóng mạch nguyên lý nghịch lưu nguồn dòng pha Dòng nguồn, xem không đổi trạng thái tải, đưọc phân bố cho SCR hình Trang chuong nghich luu va bien tan.doc (a): lúc có hai SCR làm việc, xung dòng pha có dạng chữ nhật, áp thay đổi theo đặc tính tải Cũng giống nghịch lưu pha, dòng qua tải iA sớm pha điện áp uA (hình V.2.4.a) Đây điều kiện để có chuyển mạch: xem tụ chuyển mạch thành phần tải, tải có tính dung đặt áp âm vào SCR dẫn SCR kích Việc tính toán gần nghịch lưu nguồn dòng pha thực giống sơ đồ pha với quan hệ biên độ thành phần (hệ số a) dòng điện thay đổi Một nhận xét khác lượng chảy chiều từ nguồn qua tải, làm áp thay đổi theo tải, tăng cao không tải lượng tích trữ tải tăng cao Cũng giống nghịch lưu pha, áp thay đổi theo tải ta điều khiển cách thay đổi áp nguồn hay mắc song song với tải mạch điều chỉnh công suất phản kháng Hình V.2.5.a cho ta ví dụ nghịch lưu nguồn dòng cụ thể Có thể thấy phát triển sơ đồ V.2.2.a thành ba pha, SCR dẫn tắt SCR nối chung anod (catod) kích theo logic lúc có hai ngắt điện làm việc Quá trình tắt T1 T3 kích vẽ hình (b), tụ điện đặt áp âm vào T1 nạp đến cực tính ngược lại, chuẩn bị tắt T3 xung dòng Các diod thêm vào để tránh tình trạng tụ điện C bị xả qua tải tần số làm việc thấp Hình (c) cho ta dạng sóng phần tử mạch chu kỳ Hình V.2.5: Sơ đồ, dạng áp, dòng NL nguồn dòng pha V.3 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP: Trang chuong nghich luu va bien tan.doc Sơ đồ pha : uo + Có thể xem BBĐ áp D1 S1 chiều làm việc phần tư điều khiển C1 T chung chương với áp có trị U trung bình không + uo nghịch lưu nguồn áp U S2 S2 pha, gọi sơ đồ cầu dùng _ C2 _ S1 D2 D1 D2 ngắt điện (hình V.1.2.c) hay ½ cầu dùng hai nguồn (hình V.1.8) (a) (b) Hình V.3.1 cho ta hai dạng Hình V.3.1: NL nguồn áp, sơ đồ pha mạch khác nghịch lưu nguồn áp pha, sơ đồ nửa cầu (a)- nhánh cầu thay phân áp tụ điện sơ đồ đẩy kéo (b) Hai sơ đồ dùng cho nghịch lưu cầu phân áp dùng tụ biến áp làm việc với tín hiệu xoay chiều Có thể nhận xét dễ dàng trình tự đóng ngắt ngắt điện cuả sơ đồ giống BBĐ chiều làm việc phần tư luật điều khiển thay đổi, để đãm bảo trung bình áp không Các ngắt điện phải có khả đóng ngắt theo yêu cầu điều khiển, không phụ thuộc tải Hiện dòng tải khoảng vài trăm Ampe, người ta thường dùng linh kiện họ transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) dùng SCR + mạch tắt hay GTO công suất cao Có thể tính toán dạng dòng, áp ởû tải RL cách xác cách khảo sát hoạt động mạch chu kỳ tựa xác lập ví dụ sau Ví dụ V.3.1: Tính toán dạng dòng nghịch lưu pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch pha hình V.4.3 Áp nguồn U, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển θ, độ rộng xung áp q = T ⋅ (π − θ) / 2π , q tính giây Xét chu kỳ tực xác lập, dòng điện lập lại theo chu kỳ T Gọi giá trị dòng qua tải t = I1 Ta có phương trình vi phân S1, S4 đóng: di + Ri với điều kiện đầu i (0) = I1, dt U ⎛ U⎞ suy i = + ⎜ I1 − ⎟ ⋅ e− t /τ với τ = L / R Khi t = q, i = I2 với R ⎝ R⎠ U=L U ⎛ U⎞ + ⎜ I1 − ⎟ ⋅ e− q /τ Lúc này, S4 ngắt, S3 đóng Dòng qua tải R ⎝ R⎠ không thay đổi tức thời,chảy qua S1, D3 Ta có phương trình vi phân: I2 = 0=L di + Ri với điều kiện đầu i (0) = I2 , lấy lại gốc toạ độ suy dt i = I ⋅ e − t / τ Khi t = T − q , i = - I1 có đối xứng hai bán kỳ dương âm; ta có − (T − q) / τ ⋅e − I1 = I Các pt , cho phép ta tính giá trị I1, I2, vẽ dạng dòng tải U − e− q /τ , I2 = R + e− T / 2τ Trang I1 = − I2 ⋅ e −( T2 − q) / τ −( T − q ) / τ V e− T / 2τ − e = R + e− T / 2τ chuong nghich luu va bien tan.doc −T / 2τ Kiểm tra lại: q = T/2 I1 = V e −T / 2−τ1 = − I R 1+ e Sơ đồ ba pha : Logic ba pha: ( ba ngắt điện làm việc lúc) Nghịch lưu nguồn áp nhiều pha bao gồm nhiều nghịch lưu pha làm việc pha A S1 −> S4 −> S1 lệch pha góc qui định hệ nhiều pha pha B S2 −> S5 −> tương ứng, ví dụ 2π/3 hệ pha Thường pha C S6 −> S3 −> S6 gặp nghịch lưu nhiều pha tạo S1 −>S6 −>S2 −>S4 −>S3 −>S5 −>S1 thành từ nửa cầu hình V.3.2.b sơ đồ ba pha, gồm nhánh làm việc lệch 2π/3 đôi Với nguồn nguồn áp có diod phóng điện song song với ngắt điện, lượng truyền hai chiều nguồn tải làm cho áp có dạng xung vuông có biên độ biên độ áp nguồn Khác với nghịch lưu nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp ba pha sử dụng logic ba pha có hai hay ba ngắt điện làm việc lúc Hình V.3.2.a gồm dạng xung điều khiển ngắt ngắt điện, dạng áp, dòng tải RL sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp Nhận xét lúc có ngắt điện làm việc Dạng dòng áp pha vẽ hình 5.11.a mạch tải RL nối Y S1 S4 S5 + U S2 S6 S3 uAB D3 S3 B D4 C D5 S4 D6 S5 _ uA D2 S2 A n U t D1 S1 R S6 R R iA N L L L (b) Hình V.3.2: NL nguồn áp ba pha, dạng sóng (a) mạch động lực (b) (a) Dạng sóng ngỏ nghịch lưu nguồn áp pha có dạng xung điều khiển hình V.3.2a gọi dạng sóng nấc, xem cho việc khảo sát đặc tính NL nguồn áp ba pha Khác với nghịch lưu nguồn dòng có sơ đồ điều khiển trình bày, nghịch lưu nguồn áp điều khiển nhiều thuật toán khác Để tính toán áp ngỏ nghịch lưu nguồn áp, người ta thường giả sử nguồn có điểm n(hình V.3.2), áp pha trung tính nguồn uAn, uBn, uCn áp dây uAB , uBC , uCA có quan heä: uAB = uAn − uBn uBC = uBn − uCn vCA = vCn − vAn uAB + uBC + uCA = Khi điều khiển S1 = S4 (S1 S4 làm việc ngược pha), ta chứng minh áp pha uAn, uBn, uCn áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển ngắt điện Hệ thống gọi điều khiển hoàn toàn (toàn phần) Hệ thống gọi điều khiển không Trang chuong nghich luu va bien tan.doc hoàn toàn có khoảng thời gian hai ngắt điện nửa cầu không làm việc Khi đó, áp phụ thuộc vào dòng phóng điện qua diod, áp phụ thuộc tải Hình V.3.2.a cho thấy áp dây uAB dạng sóng nấc xung vuông Để tính áp pha tải uAN , ta giả sử tải nối hình sao, đối xứng có trung tính N, tổng dòng điện tải: iAN + iBN + iCN = => uAN + uBN + uCN = Ta có quan hệ sau bỏ qua số N áp pha tải uAN (viết lại uA cho đơn giản): uA = (uAB − uCA ) uBC = uB − uC Từ suy ra: uB = (uBC − uAB ) uCA = uC − uA uA + uB + uC = uC = (uCA − uBC ) uAB = uA − uB hay uA = (2uAn − uBn − uCn ) uB = (2uBn − uAn − uCn ) uC = (2uCn − uAn − uBn ) Từ tính áp pha tải uA có dạng nấc thang khảo sát chu kỳ tựa xác lập dạng dòng bao gồm đoạn hàm mũ dòng điện qua RL áp thay đổi nhảy cấp Tính trực tiếp thành phần (hữu dụng) áp pha tải u1A từ áp pha so với trung tính nguồn u1An: Đặt uNn áp trung tính N tải trung tính nguồn n (còn gọi thành phần thứ tự 0), ta có: uAn = uA + uNn , uBn = vB + vNn , uCn = vC + uNn , suy uAn + uBn + uCn = 3.uNn Khai triển Fourier thành phần biểu thức trên, thấy uNn có hài bội 3, suy thành phần (hữu dụng) hài bậc áp pha A trung tính nguồn U1 An hài bậc áp pha A tải U1 A : U1 An = U1 A Chứng minh cho thấy kết không phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha, cách tính thành phần áp pha tải từ luật điều khiển nghịch lưu nguồn áp pha CHÚ Ý: Có thể tính trực tiếp áp pha tải hình Y xét trạng thái đóng ngắt mạch tải vào nguồn của nghịch lưu tập V.3.3 (hình V.3.2d) Bài tập V.3.1: Giả sử nghịch lưu nguồn áp hình V.3.2 nối tải RL hình sao, vẽ dạng áp (hình V.3.2.a) tính trị số hiệu dụng áp dây, áp pha Từ trạng thái ngắt điện, ta có trường hợp nối tải vào nguồn hình V.3.2.d Từ suy áp pha tải Hình V.3.2.d: Các trường hợp nối tải vào nguồn U tương ứng hình V.3.2.a: với trạng thái ngắt điện Trường hợp 1: S1, S2, S3 hay S4, S5, S6 đóng: uA = (không xảy đây) Trường hợp 2: S1, S5, S6 đóng: uA = V/3 Trường hợp 3: S1, S2, S6 hay S1, S5, S3 đóng: uA = V/3 Trường hợp 4: S4, S2, S3 đóng: uA = -2 V/3 Trường hợp 5: S4, S5, S3 hay S4, S2, S6 đóng: uA = -V/3 Trang 10 chuong nghich luu va bien tan.doc - Khi uo = , diod phóng điện Df dẫn, LC tạo thành mạch dao động hình sin, dòng iL đão chiều C đạt giá trị cực đại uC = 0, diod D song song ngược với Q dẫn điện để trả lượng tích trữ cuộn dây nguồn - Trong khoảng thời gian ngắt điện Q phải kích trở lại, không tụ điện C nạp trở lại bị ngắn mạch qua Q kích Như vậy, tổn hao đóng ngắt Q gần không Nhược điểm lớn sơ đồ thời gian khóa Q gần không đổi ta phải thay đổi thời gian Q dẫn điện tương ứng với điều chế tần số thay điều chế độ rộng xung Kết mạch thường sử dụng công suất tải cố định, việc thay đổi độ rộng xung nhằm ổn định công suất ngỏ Lưu ý: Có thể nhận xét mạch snubber có diod (hình II.2.5) làm cho transistor ngắt áp không Bài tập: Thành lập phương trình, giải dạng sóng hình V.5.15 ngắt điện có ZVS chế độ tực xác lập Hướng dẫn: Bắt đầu chu kỳ khảo sát với Q dẫn điện L có dòng tải Io V.6 MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU: Trong phần V.4, nguyên lý điều khiển điện áp hạn chế sóng hài giới thiệu Từ thuật toán đó, ta xây dựng sơ đồ mạch điện hay lập trình điều khiển nghịch lưu Trong phần này, ta giới thiệu số mạch điều khiển đơn giản làm sở cho việc thực hệ thống phức tạp Một số sơ đồ điều khiển thực nguyên lý phần V.4 giới thiệu với mục đích tham khảo Sơ đồ điều rộng xung đẩy kéo: Để điều khiển nghịch lưu pha đơn giản, ta cần hai xung có độ rộng T/2 ngược pha để đóng hai nhóm ngắt điện Đây ngỏ dao động đa hài lý tưởng hay chia hai tần số (T flip-flop) hình V.6.1 Sơ đồ cho phép biến đổi từ áp chiều 12V thành xoay chiều dùng máy biến để nâng áp thành giá trị mong muốn Nếu sử dụng công suất nhỏ (< watt), không cần tầng công suất Nhược điểm áp ngỏ thay đổi theo áp nguồn, chế độ tải AC1 AC2 AC out T1 +V VCC R1 Q1 R2 R2 C R1 Q2 C Q3 Q4 (a) (b) Hình V.6.1: Ví dụ NL nguồn áp pha đơn giản (a) dạng áp ngỏ (b) Để điều khiển áp ra, ta điều chế độ rộng xung (dạng áp hình V.4.1) Sơ đồ trình bày hình V.6.2, bao gồm điều chế độ rộng xung với mạch điều khiển luân phiên (đẩy kéo – push pull) dùng chia hai tần số (T flip flop) Trang 35 chuong nghich luu va bien tan.doc Có thể thấy sơ đồ điều khiển không hoàn toàn có khoảng thời gian ngắt điện không làm việc Nó sử dụng nguồn xung dùng nghịch lưu hay nghịch lưu đơn giản, không yêu cầu chất lượng dạng áp cao Dao động tam giác u ĐB Q S1 T/2 S1 S2 CLK -Q Uñk T S2 Hình V.6.2: mạch điều khiển độ rộng xung đẩy kéo dạng sóng điều khiển (a) aùp (b) S1 t t (a) V1 t (b) -V1 Mạch tạo logic ba pha: Hình V.6.3 trình bày nguyên lý mạch tạo logic ba pha, sử dụng nghịch lưu nguồn dòng hay nghịch lưu nguồn áp (mục V.2.2 V.3.2) đơn giản (điều chế độ rộng hay nhiều xung) Các sơ đồ điều chế xung hình sin hay điều khiển vi xử lý có khối có chức để đảm bảo thứ tự hệ ba pha CD4017 vi mạch đếm vòng Johnson 10 trạng thái: sau xung đồng hồ CLK có ngỏ lên (hình V.6.3b), Q6 đưa chân Reset để hệ thống trạng thái tương ứng với logic pha Các mạch OR tổ hợp ngỏ đếm làm thành xung điều khiển ngắt điện bán dẫn theo sơ đồ lúc có hai ngắt điện làm việc (trên hình V.6.3b vẽ tín hiệu điều khiển hai ngắt điện S1 S2, ngắt điện khác tương tự CLK k Q0 U? V f 14 13 15 CLK ENA RST Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 CO 10 11 12 S1 S2 Q1 Q2 Q3 S3 CD4017 Hình V.6.3a: Maïch taïo logic ba pha S4 Q4 Q5 S1 S2 Hình V.6.3b: Các dạng sóng logic ba pha, lúc có hai ngắt điện bán dẫn làm việc Bài tập : Sử dụng Set – Reset Flip Flop để suy tín hiệu điều khiển sơ đồ nghịch lưu nguồn áp hình V.3.2.a (mỗi lúc có ngắt điện làm việc) từ logic ba pha dùng CD4017 Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM DAC (biến đổi số tương tự): Trong sơ đồ SPWM hay số nguyên lý khác, mạch điều khiển có sử dụng tạo áp chuẫn hình sin có biên độ tần số điều khiển Với sơ đồ SPWM, hạt nhân cho dạng sóng tam giác có tần số bội số đồng với hình sin chuẩn Điều đảm bảo áp giống pha loại bỏ khả có sóng hài tần số thấp tần số (của hình sin chuẩn) Trong mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng nhớ ROM DAC, biên độ hình sin chuẫn sóng tam giác lấy mẫu (thực chất tính toán) chứa ROM Để tái lại dạng sóng, giá trị đọc lại chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) Trang 36 chuong nghich luu va bien tan.doc DAC Tần số tái (playback) f tổng hợp biến đổi điện áp - tần số VFC từ áp điều khiển k : f = k k = N fO , với k : hệ số tỉ lệ (Hz/ volt); fO : tần số ngỏ mong muốn; N : số mẫu hình sin chuẫn ref DAC Data ROM ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VFC V k f PC địa ROM ref DAC Data ROM ref DAC Data ROM +V Pha A Pha B Pha C Hình V.6.4a: Mạch tạo áp chuẩn hình sin sóng mang cưa cho sơ đồ điều chế độ rộng xung hình sin (SPMW) ref DAC Data f tần số xung đồng hồ đếm chương trình PC cung cấp địa cho ROM chứa giá trị bốn dạng sóng: ba cho hình sin ba pha f c cho sóng tam giác Các DAC biến đổi từ số k = 24 k = 12 600 c c điện áp, tạo tín hiệu mong muốn Để thay đổi biên độ hình sin, DAC sử dụng loại nhân tín hiệu điều khiển biên độ k=6 đưa vào chân áp chuẩn REF Khối điều 300 khiển điện áp ĐKU đơn giản thực quan hệ U / f = số, hay gồm việc bù giảm tốc theo tải f Với sơ đồ hình V.6.3a ta có đồng o 12.5 25 50 hình sin chuẫn pha sóng mang tam giác Vì có sóng mang dùng cho ba pha hình Hình V.6.4b: quan hệ tần số sóng mang fC tần sin, tần số sóng mang fC cần bội sáu tần số số ngỏ fO ngỏ fO để dạng sóng ngỏ giống Điều không thật cần thiết tỉ số fC / fO lớn (vài chục) Hình V.6.3b ví dụ minh họa qui luật thay đổi fC theo fO (đường đậm hình) với fCMAX = 600 Hz vaø fCMIN = 300 Hz kC = fC / fO bội số điều chế Khi tần số bé 12.5 Hz ta không cần có đồng hai tín hiệu Một khó khăn khác phát sinh kC thay đổi, có thay đổi không liên tục sóng hài bậc điện áp Trong thời gian gần đây, với phát triển linh kiện bán dẫn công suất, nghịch lưu dùng MosFET hay IGBT điều rộng 15 kHz Tần số đủ lớn phép giữ tần số sóng mang cố định suốt dãy điều chỉnh fO phổ biến vi điều khiển cho phép thực điều khiển nghịch lưu điều rộng xung hình sin có chất lượng cao giá thành rẽ kỹ thuật số Mạch điều khiển nghịch lưu dùng chương trình ROM: Với nhận xét trạng thái ngắt điện bán dẫn nghịch lưu điều khiển độ rộng xung đóng hay ngắt cách có chu kỳ, không thay đổi dạng sóng ngỏ không đổi (như dạng sóng triệt tiêu hài chọn trước khảo sát); ghi trạng thái đóng ngắt sau khoảng thời gian ngắt điện thành chương trình nhớ đọc ROM Chương trình truy xuất để điều khiển ngắt điện nghịch lưu, tạo dạng sóng mong muốn tính toán sẵn từ thuật toán có khả hiệu chỉnh điện áp vaø Trang 37 chuong nghich luu va bien tan.doc hạn chế sóng hài Hình V.6.5a trình ĐO TẦN SỐ bày sơ đồ khối thực Đến ROM nguyên lý Điện áp điều Đồng VFC ngắt điện khiển ặt biến thành tần số k V qua biến đổi điện áp/tần số f PC VFC, làm xung nhịp cho đếm : Địa chọn chu kỳ chương trình PC, phận cung : Địa quét chu kỳ cấp địa cho ROM PC Hình V.6.5a: Mạch điều khiển nghịch lưu dùng chương trình ROM đếm nhị phân có số trạng thái số trạng thái tạo thành dạng sóng điều khiển nghịch lưu môt chu kỳ áp Nội dung ROM tính toán cho đảm bảo áp có trị số mong muốn (điều khiển áp) sóng hài bậc cao bé (hạn chế hài bậc cao) Khi thay đổi ặt ,tần số xung nhịp PC thay đổi tần số ngỏ được thay đổi theo tỉ lệ 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 nội dung chương trình ROM Dạng sóng nghịch lưu 01 10 xung thứ n N n Hình V.6.5b: Dạng sóng có độ rộng lập trình sẵn Để thay đổi dạng sóng ngỏ theo tần số, ROM chứa nhiều dạng sóng ứng với tần số khác khối đo tần số thay đổi phần địa quản lý để đến vùng liệu tương ứng Có thể xem dạng sóng chu kỳ tần số trang trạng thái ngắt điện dạng sóng dòng trang Vậy PC cung cấp địa dòng đo tần số cung cấp địa trang Tín hiệu đồng từ PC yêu cầu đo tần số phép thay đổi ngỏ đầu trang để tránh thay đổi dạng sóng không kiểm soát Trong thực tế người ta sử dụng vi điều khiển sơ đồ khối chuyển thành chương trình Ví dụ: - Tần số ngỏ nghịch lưu fO thay đổi từ 64 : Chọn Hz dạng sóng, suy ROM có 64 trang dạng sóng, điïa trang gồm bit - Chọn dạng sóng có N = 255 trạng thái (chọn chia chẵn cho 3) địa hóa bit Vậy PC đếm nhị phân bit reset trạng thái thứ 255 ROM cần 14 chân địa chỉ, tương ứng dung lượng 128 Kbit hay 16 Kbyte - Tần số xung nhịp PC N fO = 255.fO , cực đại 255*64 = 16.32 kHz - Có thể sử dụng đếm bit để làm đo tần số, thời gian mở cổng 64/16320 = 3.92 mili giây ( đếm 64 xung tần số xung nhịp 16.32 kHz) - Khi quy định thay đổi biên độ ặt khoảng tần số ngỏ tương ứng, suy hệ số VFC Ưu điểm phương pháp điều khiển điện áp hạn chế sóng hài bậc cao với chất lượng tốt mạch xử lý đơn giản Nhược điểm lớn dạng sóng tần số định trước, thay đổi theo điều kiện thực tế ví dụ áp lưới giảm so Trang 38 chuong nghich luu va bien tan.doc với tính toán, hay cần bù sụt áp theo tải , số dạng sóng hữu hạn Sử dụng vi xử lý cho điều khiển nghịch lưu: Việc sử dụng phần tử tính toán cho điều khiển có đặc tính: - Chức điều khiển phong phú, thay đổi dể dàng - Tính tích hợp cao: giảm kích thước hệ thống, giảm khả hỏng hóc - Thực thuật toán điều khiển từ đơn giản đến phức tạp với giá thành không tăng theo tỉ lệ - Ngoài khả điều khiển, vi xử lý đáp ứng yêu cầu thiết bị công nghiệp đại mà giá thành gần không tăng: điều khiển từ xa, ghi nhận trạng thái làm việc (lỗi), nối mạng thông tin, giao diện thân thiện với người dùng… Hệ thống sử dụng máy tính chip cho điều khiển (gọi hệ thống có nhúng máy tính), thường có giao tiếp với ngoại vi tương tự để lấy đặc tính dòng áp Để điều khiển chất lượng cao, hệ thống cần có khả tính toán mạnh để thực thuật toán phức tạp (tính ma trận, sin cos) với độ xác cần thiết Ngày nay, người ta thường dùng vi xử lý 16/32 bit và/hay với xử lý tín hiệu số (DSP) để đảm bảo khả tính toán thời gian thực V.7 BIẾN TẦN: Là biến đổi điện xoay chiều lưới công nghiệp thành điện pha có tần số, điện áp thay đổi, dùng cho điều khiển động xoay chiều Như biến tần nguồn xoay chiều (có ngỏ áp xoay chiều) thiết bị có nguyên lý hoạt động khác phụ thuộc vào mục đích sử dụng, giới thiệu chương sau Một cách tổng quát, ta có biến tần quay (sử dụng máy điện) biến tần tónh (dùng mạch điện tử công suất), giới thiệu loại sau Có hai nhóm biến tần tónh: Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) biến tần qua trung gian chiều Biến tần trực tiếp: T1 T2 T3 KCB A B C T4 T5 T6 i o v o L R N hình V.7.1.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ pha; b: Áp (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu pha, điều khiển chung tuyến tính α, β hai góc ĐKP hai chỉnh lưu, thay đổi theo luật tam giác; a Biến tần trực tiếp (Cycloconverter – CC): Cycloconverter ứng dụng chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều (dòng, áp ngỏ đảo chiều) cho tải xoay chiều, ta điều khiển cho áp ngỏ BBĐ dạng sóng xoay chiều có chu kỳ Sơ đồ đưa từ có khái niệm chỉnh lưu có điều khiển dạng biến tần trực tiếp ứng dụng rộng rãi Trang 39 chuong nghich luu va bien tan.doc Hình V.7.1a cho ta sơ đồ pha biến tần trực tiếp Bộ chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều hai chỉnh lưu pha hình tia nối song song: thứ gồm T1, T2, T3 có góc điều khiển α, ngỏ uO1 cung cấp dòng điện dương thứ hai T4 T5, T6 với góc điều khiển β, ngỏ uO2 cung cấp dòng điện âm cho tải Khi sử dụng nguyên lý điều khiển chung, hai chỉnh lưu có xung kích cần có: Trị số trung bình áp hai chỉnh lưu UO1 = – UO2 dòng tải chỉnh lưu liên tục => cosα = – cosβ hay α + β = π Áp qua cuộn kháng cân KCB: uCB = uO1 + uO2 lấy trung bình hai vế: UCB = UO1 + UO2 => UCB = 0: dòng chiều chạy kháng cân Và cuộn kháng cân có áp xoay chiều xuất áp tức thời hai chỉnh lưu không trị số tự cảm tính cho dòng cân (dòng xoay chiều chạy hai chỉnh lưu) có giá trị vừa đủ để đảm bảo dòng qua chỉnh lưu liên tục, đãgiới thiệutrong phần song song hai chỉnh lưu Hình V.7.1b trình bày dạng áp tải với góc điều khiển hai chỉnh lưu thay đổi theo luật tam giác, có tần số tần số ngỏ biến tần Có thể thấy dạng áp điều khiển pha góc kích α thay đổi liên tục (ở tuyến tính), từ (0 rad) đến max (π rad) để có áp xoay chiều Như hai chỉnh lưu thay phiên làm việc chu kỳ Ví dụ tải trở: - α = π/2, áp > 0, chỉnh lưu dẫn dòng (chế độ chỉnh lưu) - α = π π/2, áp < 0, chỉnh lưu không dẫn dòng chế dộ nghịch lưu, dòng tải chạy qua chỉnh lưu làm việc chế độ chỉnh lưu (góc β = π − α) Ưu điểm lớn biến tần trực tiếp cho phép thực với công suất lớn lớn, hiệu suất cao nhờ biến đổi trực tiếp Nhược điểm hệ số công suất cao điều khiển pha Ngoài ra, áp xoay chiều có tần số bé (≤1/3) so với tần số lưới điện áp có nhiều sóng hài hình V.7.2.a: Áp (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu pha sử dụng ngắt điện chuyển mạch cưỡng bức, tạo áp có tần số cao tần số lưới điện b BBĐ ma trận (Matrix converter): Khi thay SCR ngắt điện có điều khiển khóa (ví dụ GTO hay tổ hợp IGBT diod), ta nhận nhiều tính tốt hình V.7.2.a: tần số làm việc hay cao tần số lưới Đây nguyên lý biến tần trực tiếp chuyển mạch cưỡng (FCC), gọi BBĐ ma trận (Matrix converter – hình V.7.2.b) Nhờ khả dẫn dòng hai chiều ngắt điện, số ngắt điện pha Hình V.7.2.a thay đổi áp nguyên lý điều khiển pha (điều khiển biên độ áp ra) Ta điều rộng xung hình sin hay sử dụng nguyên lý điều khiển vecto không gian kết hợp thuật toán cho điều rộng điều khiển pha để điều chỉnh biên độ xung Trang 40 chuong nghich luu va bien tan.doc Trong hình V.7.2.b giới thiệu loại ngắt điện dẫn dòng chiều dùng ngắt điện kích ngắt không phận cực ngược được: loại sử dụng IGBT, loại thứ hai dùng ngắt điện cầu diod Hình V.7.2.b BBĐ ma trận Biến tần có trung gian môt chiều: Biến tần có trung gian chiều (ở gọi ngắn biến tần) có sơ đồ khối hình V.7.3.a, gồm hai phận: chỉnh lưu đầu vào nghịch lưu đầu Tổ hợp hai BBĐ làm nhiều sơ đồ khác với khả phạm vi sử dụng khác biệt Có thể thấy toán biến tần vấn đề nghịch lưu định tính chất ngỏ va chỉnh lưu ngỏ vào có vai trò hỗ trợ Có hai loại: Biến tần nguồn dòng biến tần nguồn áp - Biến tần nguồn dòng sử dụng nghịch lưu nguồn dòng (NLND), thường dùng SCR nên chế tạo công suất lớn, đóng ngắt tần số bé điều khiển áp (công suất) ngỏ áp nguồn chiều nên đầu vào chỉnh lưu SCR Lưới NL ND L Lưới L C NL NA Tải Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp L C Tải R Q7 A B C Hình V.7.3.a: Biến tần có trung gian chiều Hình V.7.3.b: Mạch động lực BT nguồn áp dùng IGBT - Biến tần nguồn áp sử dụng nghịch lưu nguồn áp (NLNA), sử dụng ngắt điện chiều (có điều khiển khóa) cho phép thực nhiều sơ đồ đóng ngắt khác đạt chất lượng điện áp ngỏ cao, khảo sát phần nghịch lưu Hình V.7.3.b giới thiệu mạch động lực loại thứ hai Đầu vào sử dụng chỉnh lưu diod nghịch lưu nguồn áp dùng transistor làm hai nhiệm vụ thay đổi tần số điện áp ngỏ Với nhiều loại tải, có trường hợp nghịch lưu nguồn áp phải nhận lượng tải trả ngược nguồn Do chỉnh lưu diod chuyễn tiếp lượng lưới ba pha, áp tụ C tăng cao làm hỏng thiết bị Để đề phòng trường hợp này, sơ đồ có thêm Q7 cho phép tiêu thụ lượng điện cách đóng điện trở hãm R (braking resistor) Tự cảm lọc L giúp cho dòng nguồn dạng xung nạp tụ lựa chọn (có thể không dùng) làm tăng giá thành thiết bị Với tính cách điều khiển động xoay chiều, yêu cầu sơ đồ điều Trang 41 chuong nghich luu va bien tan.doc khiển biến tần phụ thuộc vào đặc tính tải, trình bày đầy đủ chương VIII: Điều khiển động xoay chiều Một cách tổng quát, biến tần cần đảm bảo yêu cầu sau: - Thực logic ba pha, thay đổi tần số Lưới Tả i BIẾ N TẦN - Điều khiển áp theo yêu cầu tải Có hai yêu cầu cho điều khiển điệu áp: ĐK U ĐK f đảm bảo mạch từ không bảo hòa quan hệ U/f = số (xem mục V.4.2) tăng cường Hình V.7.4: Giống nghịch lưu, biến tần có tín hiệu điều khiển: điện áp tần số momen tải biến tần thông thường - Hạn chế sóng hài áp (dòng) Đặc tính phụ thuộc vào sơ đồ động lực, algorit điều khiển nghịch lưu V.8 ỨNG DỤNG: Nghịch lưu độc lập ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng, ta gặp thiết bị cung cấp dòng điện xoay chiều cho tải công nghiệp gọi chung nguồn xoay chiều, phân làm nhóm sau: - Theo loại thiết bị sử dụng: nhóm sử dụng máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) nhóm ứng dụng điện tử công suất (thiết bị tónh) - Theo nguồn điện: Các nghịch lưu có đầu vào nguồn chiều, ví dụ bình accu biến tần có ngỏ vào lưới điện xoay chiều Tuy nhiên theo thói quen, tiếng anh, người ta tiếp tục dùng từ nghịch lưu (inverter) để biến tần dùng cho điều khiển tốc độ động xoay chiều - Theo dãy tần số hoạt động: chia làm nhóm: Ngỏ tần số công nghiệp (nhỏ 400 Hz) cố định: nguồn xoay chiều bán dẫn sử dụng làm nguồn cho thiết bị điện thay điện lưới Có thể kể lưu điện (UPS – Uninterruped Power Supply) cung cấp nguồn liên tục cho tải, đổi tần cung cấp điện cho thiết bị sử dụng nguồn khác tần số lưới … Ngỏ tần số công nghiệp thay đổi: dùng để điều khiển tốc độ động xoay chiều, có đầu vào điện lưới nên gọi biến tần Ngỏ trung tần hay cao tần: Từ 500 Hz đến 25 KHz sử dụng SCR hay cao dùng transistor nguồn cho công nghệ điện: nung nóng dùng dòng điện cảm ứng môi trường dẫn điện, hay chuyển thành rung động siêu âm vật liệu từ giảo Đặc trưng nhóm hệ số công suất tải thấp, cần mắc tụ điện song song nên tải có tính cộng hưởng Ở dãy tần số 25 KHz có nghịch lưu pha làm trung gian cho biến đổi áp chiềøu muốn sử dụng biến áp tần số cao nhằm giảm trọng lượng kích thước thiết bị (các nguồn xung sử dụng transistor giới thiệu chương 4) Trong công nghiệp có dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor, làm việc tần số từ 50 KHz đến vài MHz dùng cho cao tần hay nung nóng điện môi Các nguồn tần số cao: Như giới thiệu mục phân loại, ta nung nóng cảm ứng vật liệu đẫn điện dòng điện cảm ứng Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz: - Tần số làm việc giảm công suất tăng - Tần số cần phải tăng tăng bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép) Trang 42 chuong nghich luu va bien tan.doc Có thể sử dụng NL nối tiếp hay song song với ngắt điện thyristor nguồn tần số cao Ở tần số lớn 100 KHz, dùng transistor hay đèn chân không truyền thống Như khảo sát V.2, sơ đồ NL song song có dạng NL nguồn dòng với tải cộng hưởng cuộn dây làm việc điện dung bù cos φ cho Trong thời gian gần đây, người ta bắt đầu dùng transistor với sơ đồ có chuyển mạch dòng (áp) không Điều khiển động AC dùng biến tần: Các biến tần phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ động xoay chiều công nghiệp Khi tần số thay đổi, từ trường quay cuộn dây xtator có tốc độ thay 60 ⋅ f ; no tính vòng/phút, f : tần số (Hz) p số đôi cực đổi theo quan hệ no = p Rotor quay theo từ trường quay với độ trượt s không đổi Có hai nguyên lý cho điều khiển động không đồng dùng phương pháp thay đổi tần số: - Điều khiển U/f hằng: tần số thay đổi, điện áp đặt vào cuộn dây thay đổi tỉ lệ để tránh việc tăng mật độ từ thông dẫn để tăng dòng từ hoá -Điều khiển vector động KĐB: Là phương án đại, sử dụng vi xử lý có khả tính toán mạnh để điều khiển động KĐB Phương án khắc phục nhược điểm quan trọng sơ đồ điều khiển U/f momen động thấp, đặc biệt tần số làm việc nhỏ Hz BBĐ điều khiển U/f cung cấp cho động điện áp ba pha tương ứng tần số làm viêc, dòng qua động thay đổi theo trạng thái động Bằng cách khống chếù độc lập dòng từ hoá (tạo từ thông khe hở) dòng rotor (tạo momen quay), biến tần điều khiển vector điều khiển momen động KĐB làm với động chiều, bên cạnh khả điều khiển tốc độ thông qua thay đổi tần số Có hai sơ đồ điều khiển vector: có phản hồi vị trí rotor (có cảm biến vị trí) không dùng cảm biến (sensorless) Sơ đồ cho phép điều khiển xác phải dùng động chế tạo riêng phương án sau dùng động KĐB thông thường Khi biến tần dùng để điều khiển tốc độ động cơ, sơ đồ điều khiển có chức năng: hạn chế sụt tốc hoạt động, bảo vệ tải, điều khiển thời gian tăng, giảm tốc Chương VIII trình bày đầy đủ điều khiển động xoay chiều ứng dụng biến tần Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn (bộ lưu điện hay UPS uninterrupted – power – supply): Điều khiển Lưới Hình V.8.1 trình bày sơ đồ khối lưu điện, sử dụng cho thiết Tải Nạp Accu Nghịch lưu Chuyển mạch Hình V.8.1: Sơ đồ khối nguồn xoay chiều không gián đoạn bị dùng điện quan trọng điện bất ngờ máy chủ mạng máy tính hay máy điện tử y tế UPS cung cấp điện tạm thời lưới chờ lưu liệu làm việc hay cho chạy máy phát dự phòng Trang 43 chuong nghich luu va bien tan.doc Sơ đồ khối bao gồm nghịch lưu sử dụng accu chuyển mạch (rơ le hay TRIAC) Bộ nạp accu tự động đảm bảo hệ thống sẵn sàng làm việc Bình thường tải dùng điện lưới, chuyển sang sử dụng nguồn nghịch lưu nguồn nên UPS có sơ đồ khối gọi loại OFF-LINE Vấn đề then chốt UPS off-line thời gian chuyển đổi, tính từ nguồn xem bị đến xác lập áp nghịch lưu, giá trị cho phép khoảng hai chu kỳ lưới để tải xem có nguồn liên tục Ở UPS công suất bé (< 1.5 kW), mạch nghịch lưu sơ đồ pha sử dụng biến áp có điểm (hình V.3.1b) để thích hợp với nguồn accu có điện áp bé (12V hay 24V) Áp điều khiển cách thay đổi độ rộng xung Một vi mạch tương tự TL494 có khả làm việc 50 Hz sử dụng cho điều khiển nghịch lưu (SG3524) Trong thời gian gần đây, sơ đồ UPS hay nghịch lưu có đầu vào accu điện áp thấp hay dùng sơ đồ khối sau: Accu Ỉ [NL1 Ỉ BA tần số cao Æ CL Æ Loïc ]Æ NL2 Æ Loïc Ỉ tải Cụm biến đổi áp DC [ ] dùng để nâng áp từ 24 VDC 300 VDC, sử dụng Nghịch Lưu có sơ đồ điều rộng xung với biến áp có điểm Biến Áp tần số cao giúp giảm kích thước, trọng lượng tăng hiệu suất hệ thống Nghịch Lưu biến đổi từ 300 VDC 220VAC ngỏ Trong nhiều thiết bị, NL2 sử dụng nguyên lý điều rộng xung hình sin để cải thiện dạng áp Điều không thực hiệu nghịch lưu tăng áp Có loại UPS chuyển mạch nghịch lưu làm việc gọi UPS ONLINE BBĐ có sơ đồ biến tần có khâu trung gian chiều với nguồn dự phòng accu mắc mạch chiều tần số ngỏ cố định Do sử dụng liên tục, áp yêu cầu có chất lượng cao hơn, thường điều chế hình sin, qua lọc bỏ tần số cao để có dạng sóng giống điện lưới Bộ UPS ON-LINE có giá thành cao loại OFF-LINE nhiều chất lượng ngỏ hẵn, thiết kế để làm việc liên tục Chấn lưu (ballast) điện tử: ST BL Đèn huỳnh quang loại đèn sử dụng phổ biến nhờ hiệu suất tuổi thọ cao Nguyên lý làm việc dựa vào phát sáng nguồn chất (bột) huỳnh quang (fluorescent) có 220 VAC dòng điện tử va vào Như bóng đèn huỳnh quang bóng chân tráng bột huỳnh quang, hai đầu phận phát xạ điện tử catod Hình V.8.2: Sơ đồ đèn huỳnh quang truyền thống, dùng chấn lưu cuộn dây nóng gồm tim đèn cực Khi làm việc điện lưới cần có điện trường cao xung mồi ban đầu để tạo phóng điện Khi phóng điện, hai cực tương đương với nguồn áp ta cần có phần tử hạn dòng mắc nối tiếp Đây nhiệm vụ chấn lưu (ballast) sử dụng đèn huỳnh quang sơ đồ truyền thống (hình V.8.2) Đây cuộn dây lõi thép kỹ thuật điện làm nhiệm vụ hạn dòng đèn hoạt động ổn định tạo xung áp để mồi đèn ban đầu Nối hai điện cực ngắt mồi ST (starter) Đây bóng đèn neon nhỏ có điện cực làm lưỡng kim ST dẫn điện lúc đầu để nung tim đèn, nóng hai điện cực tách rời xa để ngắt mạch, dòng không đột ngột làm dây tạo điện áp đủ cho đèn huỳnh quang phóng điện Trong trạng thái bình thường, cột áp hai cực không đủ cho ngắt mồi ST làm việc trở lại Đèn huỳnh quang có ưu điểm hiệu suất cao so với đèn có tim Nhược điểm sơ đồ truyền thống hệ số công suất bé có sử dụng cuộn dây công suất tiêu thụ phần tử đáng kể Ở hệ Trang 44 chuong nghich luu va bien tan.doc thống chất lượng cao, người ta thường nối song song với đèn tụ điện để bù công suất phản kháng hình V.8.3: Mạch ballast điện tử 36W đơn giản hãng International Rectifer (đọc thêm AN-1074.pdf) Chấn lưu điện tử nguồn tần số cao dùng mạch nghịch lưu ½ cầu (đường tô đậm hình V.8.3) cung cấp áp cực dòng nung tim cho đèn huỳnh quang Ở tần số cao, trình mồi thời gian nung tim đèn ngắn (đèn bật sáng tức thì), tự cảm ngỏ có tổng trở đủ lớn để hạn dòng (hay dùng mạch điều khiển dòng điện), chỉnh lưu đầu vào làm hệ số công suất > 0.9, cao (≅ 1) dùng mạch cải thiện hệ số công suất Bộ đèn huỳnh quang dùng chấn lưu điện tử có hiệu suất hệ số công suất cao, có tuổi thọ cao chấn lưu điện tử có thông số thích hợp Bộ biến đổi nạp lượng vào lưới điện (Grid converter): Ngày nay, yêu cầu tìm nguồn lượng trở nên thiết mà nguồn lượng sử dụng nhiên liệu truyền thống cần phải hạn chế sử dụng chúng cạn kiệt gây hiệu ứng nhà kính Bên cạnh nhiên liệu sinh học, nguồn lượng tái tạo (renewable) lấy trực tiếp từ tự nhiên gió, ánh sáng mặt trời… trở nên thực nhờ phát triễn công nghệ bán dẫn kỹ thuật điều khiển Ví dụ pin mặt trời (gọi tắt PV – photovoltaic) có giá thành ngày rẻ sơ đồ BBĐ với kỹ thuật điều khiển cho phép sử dụng hiệu Các nguồn lượng tái tạo có đặc tính quan trọng tính chất thay đổi nhiều theo tự nhiên mà ta kiểm soát Ví dụ mật độ công suất ánh nắng mặt trời điểm thay đổi theo ngày, theo mùa thời tiết Tốc độ gió biến động dãi rộng không tiên đoán xác Vì người ta gọi nguồn lượng phân tán Các hệ thống biến đổi trực tiếp lượng mặt trời thành điện trước có sơ đồ khối hình V.8.4 thường sử dụng số trường hợp đặc biệt, thường nơi không Trang 45 chuong nghich luu va bien tan.doc có lưới điện giá thành cao Hệ thống bao gồm pin mặt trời nối với nạp accu để tích trữ lượng, đãm bảo cung cấp điện liên tục Ở ngỏ ra, ta dùng biến đổi áp chiều Nguồ n nă n g lượ n g phâ n tá n nạ p accu BBĐ p DC Tả i DC Nghịch lưu Tả i AC hình V.8.4: Nguồn sử dụng lượng mặt trời hay sức gió hoạt động độc lập hay nghịch lưu để cung cấp dạng áp thích hợp cho tải Bộ nạp accu có yêu cầu tối đa công suất phát pin mặt trời vốn có đặc tính hình V.8.5 Dòng ngắn mạch Isc phụ thuộc vào mật độ lượng ánh sáng nhận (độ rọi) Các máy phát điện dùng sức gió thường sử dụng máy phát xoay chiều hiệu máy điện chiều hai yếu tố kinh tế – kỹ thuật Các hệ thống công suất nhỏ dùng hình V.8.5: Đặc tính pin mặt trời (photo voltaic): nơi điện lưới có sơ đồ khối nguồn áp VDC, giảm nhiệt độ tăng gảy giống với nguồn lượng mặt trời dòng tải đạt giá trị ngắn mạch (Isc) (hình V.8.4) Các máy phát điện gió công suất lớn trữ lượng nên người ta phải nạp điện tạo thẳng vào lưới điện qua biến đổi nối lưới điện (grid converter) Sơ đồ cổ điển dùng điện tử công suất hệ thống biến đổi qua trung gian chiều: áp máy phát chỉnh lưu diod nạp vào lưới thông qua nghịch lưu chuyển mạch lưới (là chỉnh lưu SCR làm việc chế độ nghịch lưu - mục III.5.6) BBĐ có ưu điểm đơn giản, chế tạo dễ dàng cho công suất lớn có nhược điểm quan trọng dòng điện phía xoay chiều không hình sin nên làm giảm chất lượng điện lưới điện Ngày nay, với phát triễn bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển, người ta sử dụng nghịch lưu dùng IGBT hay bán dẫn công suất có khả kích ngắt để nạp lượng vào lưới điện với dòng điện hình sin Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp chương sử dụng, hệ thống điều khiển yêu cầu truyền thống (điều khiển dòng/áp, hạn chế sóng hài) có hai nhiệm vụ: - đồng với lưới điện: có tần số tần số lưới điện - điều khiển công suất nạp vào lưới thông qua hai thông số: điện áp độ lệch pha áp nghịch lưu so với áp lưới kết nối tương tự nối máy phát AC vào lưới điện (giản đồ vòng tròn) Công suất phải cân với công suất nhận đầu vào chiều Phương thức cũngõ sử dụng cho pin mặt trời công suất lớn công suất nhỏ, mà biến đổi công suất có giá thành ngày giảm chất lượng ngày tăng Hình V.8.6 cho ta sơ đồ khối biến đổi nạp lượng pin mặt trời vào lưới điện Mặc dù ngỏ pin mặt trời điện chiều, ta cần biến đổi áp chiều tăng áp Bộ biến đổi có hai nhiệm vụ: cung cấp giá trị áp cần thiết để nghịch lưu Trang 46 chuong nghich luu va bien tan.doc naïp lượng vào lưới hoạt động định điểm làm việc tối ưu (MPPT) pin mặt trời hình V.8.7: sơ đồ khối biến đổi nạp lượng pin mặt trời vào lưới điện hình V.8.8: Sự tiến hóa hệ thống phát điện vào lưới dùng pin mặt trời: a Nối tiếp/song song nhiều pin mặt trời, dùng chung biến đổi b Nhiều biến đổi pha, dùng nhiều pin mặt trời nối tiếp c nhiều pin mặt trời nối tiếp có biến đổi áp chiều riêng dùng chung nghịch lưu nối lưới (1 hay pha) d Mỗi pin mặt trời dùng riên biến đổi nạp lượng vào lưới (1 pha) Hình V.8.7 cho ta tiến hóa hệ thống phát điện vào lưới dùng pin mặt trời Nó cho thấy giá thành biến đổi ngày hạ (trong hiệu suất đảm bảo cao) khiến ta phân tán pin mặt trời đến mái nhà hộ gia dình V.9 TÓM TẮT CHƯƠNG: Nghịch lưu độc lập biến tần chiếm vị trí quan trọng điện tử công suất đại Số thiết bị sử dụng chúng xuất ngày nhiều máy móc nhiều ngành kinh tế quốc dân, từ công nghiệp đến dân dụng, đặc biệt hệ thống truyền động biến tần – động không đồng thay hoàn toàn hệ thống chỉnh lưu – động chiều ưu điểm kinh tế kỹ thuật Trang 47 chuong nghich luu va bien tan.doc hình V.8.9: sơ đồ khối nhà máy phát điện gió (wind farm) Có thể thấy tương ứng với hình V.8.8c, nhà máy dùng chung biến đổi nạp lượng vào lưới Sau học chương 6, sinh viên cần phải biết: - Các loại nghịch lưu độc lập, ưu nhược điểm ứng dụng chúng Các sơ đồ động lực nghịch lưu nguồn áp (một pha, ba pha) - Giải tích nghịch lưu pha nguồn dòng, nguồn áp, tính toán gần sơ đồ pha, ba pha dựa vào thành phần tính toán mạch điện hình sin - Phương pháp điều khiển biên độ, hạn chế sóng hài điện áp ngỏ Các sơ đồ điều khiển nghịch lưu giới thiệu chương xem ví dụ, nhằm mục đích giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý liên quan Tất nhiên chúng tham khảo tốt để thiết kế sơ đồ điều khiển BÀI TẬP: Thử giải thích hoạt động mạch nghịch lưu nối tiếp hình a Hãy liệt kê điểm giống khác với nghịch lưu nguồn áp sơ đồ ½ cầu hình b SCR1 + + C1 S1 C1 D1 L R V V C2 Vo _ SCR2 (a) Vo L _ D2 S2 C2 (b) Hãy liệt kê điểm giống khác hai sơ đồ nghịch lưu song song với nghịch lưu nguồn áp sử dụng biến áp có điểm Trang 48 chuong nghich luu va bien tan.doc Cho nghịch lưu pha điều rộng xung hình sin Áp nguồn chiều 280 volt, biên độ sóng mang tam giác 10 volt, tần số ngỏ 50 Hz Biên độ áp chuẫn(điều khiển) volt Tính trị hiệu dụng thành phần áp Giả sử sóng hài bậc cao không đáng kể, tính dòng tải RL: R = 10 ohm, XL = 10 ohm Tính công suất tiêu thụ tải Tính trị trung bình dòng qua nguồn vẽ dạng dòng nguồn Cho nghịch lưu pha điều rộng xung hình sin Áp nguồn chiều 500 volt, biên độ sóng mang tam giác 10 volt, tần số ngỏ 50 Hz Biên độ áp chuẫn(điều khiển) thời điểm quan sát: pha A 10 volt, pha B vaø pha C laø – volt a Tính biên độ áp chuẫn (hình sin) b Tải RL nối hình Y, R = 10 ohm, XL = 10 ohm Tính trị hiệu dụng thành phần áp pha tải vA, giá trị tức thời thành phần áp pha tải Tính dòng tải (hiệu dụng dòng pha tải), tính công suất tiêu thụ tải Tính trị trung bình qua nguồn Giả sử sóng hài bậc cao không đáng kể, Cho nghịch lưu nguồn áp pha, áp nguồn 120 VDC, tần số làm việc 50 Hz, tải 10 ohm, L = 10 mH, điều khiển độ rộng xung lệch pha(Hình V.4.3) a Tính bề rộng xung θ (tính độ hay rad) để có hiệu dụng thành phần V1R 80 V Tính hệ số méo dạng THD% áp lúc Giả sử ảnh hưởng hài bậc cao không dáng kể, tính hiệu dụng dòng tải dòng trung bình cung cấp nguồn b Tính giá trị áp, dòng hiệu dụng thành phần sóng hài bậc 3, trường hợp câu nhận xét giả thiết dùng câu a Cho nghịch lưu nguồn áp có ngỏ dạng sóng nấc, nguồn 300 VDC, tần số ngỏ f = 50 Hz, tải nối hình Y, R = 10 ohm XL = 10 ohm 50 Hz Tính giá trị hiệu dụng dòng, áp tải thành phần bậc 1, 3, 5, 7, 9, 11 và13 Tính hệ số méo dạng THD% điện áp đánh giá méo dạng dạng dòng trường hợp Mạch nghịch lưu UPS công suất bé dùng sơ đồ biến áp có điểm với dạng áp điều chế độ rộng xung Nguồn accu 24 V, tần số ngỏ 50 Hz a Vẽ mạch động lực dạng tín hiệu điều khiển, điện áp ngỏ b Giả sử tải trở biến áp lý tưởng, chọn bề rộng xung 120 O, tính tỉ số biến áp, biên độ dòng qua ngắt điện việc với tải định mức phiá cao áp 200VAC, 2A (giá trị hiệu dụng) c Với hệ thống câu b tải 100 ohm, L = 200mH phía cao áp Viết phương trình tính dạng dòng qua ngắt điện, diod phóng điện, vẽ dạng dòng áp tải suy giá trị hiệu dụng áp tải lúc Xem mạch nghịch lưu hình V.3.2.b a Tính thành phần áp pha so với trung tính nguồn vAn áp pha so với trung tính tải vAN b Hãy chứng minh hai gía trị tính câu a mà không cần tính Kết có phụ thuộc phương pháp điều khiển nghịch lưu pha nguồn áp không? c Hãy vẽ dạng áp trung tính tải so với trung tính nguồn vNn Trang 49 chuong nghich luu va bien tan.doc