Bài giảng điện tử công suất phần 2 trường đại học thái bình

CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4.1 Khái niệm: Bộ biến đổi điện áp chiều hay gọi băm xung áp, biến đổi có nhiệm vụ chuyển đổi từ nguồn điện DC có trị số không thay đổi thành nguồn điện DC thay đổi Trị số trung bình điện ngõ biến đổi cách thay đổi tỉ lệ thời gian mà ngõ nối vào ngõ vào Sự chuyển đổi hồn thành với tổ hợp cuộn cảm, 1tụ điện linh kiện bán dẫn hoạt động chế độ giao hoán tần số cao Trong ứng dụng điện dòng điện lớn, linh kiện bán dẫn giao hoán thƯờng chọn SCR Khi sử dụng transistor công suất: BJT MOSFET hay thyristor: GTO IGCT, chúng khởi ngƯng dễ dàng cách điều khiển dòng dòng cổng SCR dùng mạch DC phải khởi ngƯng cách chuyển mạnh giao hốn (tắt cƯỡng chế) bất lợi Điều thuận lợi chuyển mạch tự nhiên mà điều thích hợp mạch AC Kỹ thuật giao hoán sử dụng chuyển đổi DC – DC thƯờng kỹ thuật biến điệu độ rộng xung (PWM – pulse width modulation) Bộ chuyển đổi DC– DC thƯờng sử dụng công nghiệp cần đến nguồn điện DC không đổi Những ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều khiển động DC cho xe điện DC, cấp điện giao hoán, đổi điện cho cấp điện không tắt (UPS – uninterruptible power supplies), hệ thống chạy accu Trong chƯơng ta khảo sát mạch nguyên lý biến đổi DC hay DC chopper 4.2 Nguyên lý biến đổi điện chiều Bậc S linh kiện điện tử công suất nối nguồn cấp điện DC với tải bậc đóng Bậc xem lý tƯởng có đặc tính sau • Có điện trở khơng (sụt đầu bậc khơng) dẫn • Có điện trở vơ lớn ngƯng • Có thể giao hoán từ trạng thái khác với thời gian chuyển tiếp không 87 Một cách lý tƯởng, công suất thất mạch chopper khơng, cơng suất cơng suất vào Giả sử điện điều chỉnh khoảng từ đến mức V i Cho bậc đóng thời gian t , mở thời gian toff chu kỳ cố định on T Dạng sóng chuỗi xung chữ nhật có thời hạn t hình 3.1 on Hình vẽ cho thấy điện tức thời qua tải (S hở) V (S đóng) Điện trung bình (DC) ngõ chu kỳ cho i t t V0   on VI  on VI  dVi T ton  t off Với T= ton +toff chu kỳ giao hoán F = 1/T tần số giao hoán d ton T tỉ số định dạng (1-d)T = toff Điện thay đổi tuyến tính theo tỉ số d Dịng điện tải có dạng nhƯ hình 3.1 có trị số trung bình: Điện hiệu dụng tải: VRMS  ton 2 Vi dt  Vi ton  T T  Vi t  Vi d T on Dòng hiệu dụng tải: I RMS  VRMS R 4.3 Phân loại cách điều khiển biến đổi DC Mạch chopper thƯờng phân loại theo trị số điện ra, tùy theo cách bố trí bậc, diod, cuộn cảm, tụ mà ta có loại biến đổi điện DC  Mạch chuyển đổi hạ (step – down chopper Buck converter)  Mạch chuyển đổi tăng (step – up Boost converter)  Mạch chuyển đổi tăng - giảm (Buck – Boost chopper Inverter) Các cách điều khiển điện thƯờng 88 • Điều chế độ rộng xung (PWM): độ rộng xung t on thay đổi chu kỳ giao hốn khơng đổi Trong cách dạng sóng thay đổi d thay đổi • Điều chế tần số - xung (PFM): độ rộng xung giữ không đổi thay đổi chu kỳ (tần số) giao hoán Trong cách điện giảm tần số giảm trở nên cao tần số cao Dù cách PWM hay PFM điện S hở V S đóng i Tuy nhiên mạch ổn áp giao hoán thƯờng sử dụng cách PWM, có dợn sóng nên thành phần linh kiện mạch lọc cần đến • Ưu điểm ứng dụng Mạch chopper DC hay mạch chuyển đổi DC – DC có Ưu điểm hiệu suất cao gần 100% (so với mạch ổn áp DC tuyến tính hiệu suất khoảng 30%) bậc hoạt động chế độ giao hốn xem nhƯ khơng hấp thu lƯợng điện Về phƯơng diện giải nhiệt tốn Các loại mạch ổn áp DC giao hoán thƯờng sử dụng làm nguồn máy tính cá nhân (PC), TV, số công nghiệp khác 4.4 Các chuyển đổi điện áp hoạt động dòng khơng liên tục Dịng liên tục dịng cuộn cảm lúc có trị dƯơng tồn chu kỳ Để có điện áp DC lớn ngƯời ta thƯờng ghép nhiều nối tiếp nhau, nhiên lúc thực khơng gian khối lƯợng, kích thƯớc tồn hệ thống Mạch boost converter tăng điện áp thay viên pin Với hai viên pin ta dùng mạch Boost converter tăng điện áp lên để sử dụng cho xe điện hệ thống đèn trang trí Ví dụ nhƯ xe điện Prius Toyota có động sử dụng điện áp lên tới 500V, không sử dụng mạch boost converter ta phải sử dụng ăcqui có 417 ngăn để cung cấp đủ lƯợng cho đông hoạt động NhƯng Prius sử dụng mạch boost converter ắc qui có 168 ngăn để tăng điện áp từ 202V lên tới 500V Ta xét mạch Boost converter chế độ liên tục 89 Khi mạch Boost converter hoạt động chế độ liên tục dịng điện qua cuộn dây (I ) khơng Hình 3.3 cho thấy dạng sóng dịng điện điện áp L mạch tăng áp hoạt động chế độ Trong trạng thái ON, cơng tắc S đóng, điện áp V đặt lên cuộn dây tạo dòng điện I i thời gian Δt L Ở thời điểm kết thúc trạng thái ON dịng I tăng lên theo cơng thức sau L với D chu trình định dạng Do biến thiên dịng điện I trạng thái OFF là: L Trong trạng thái OFF, công tắc S mở, dòng từ cuộn dây chạy qua tải Nếu bỏ qua diện áp rơi diode D tụ điện C lớn để điện áp tụ khơng đổi, dịng điện IL 90 Khi xét đến lúc mạch hoạt động ổn định, lƯợng điện tích trữ linh kiện chu kỳ giống Năng lƯợng lưu trữ cuộn dây : E  LI 2 Dòng điện I L L mạch lúc bắt đầu kết thúc chu kì giống nên ta có: ILon  ILoff Thay ΔI ΔI LOn Rút gọn ta : vào ta được: Loff Vi V0  1D Công thức cho ta thấy điện áp luôn cao điện áp vào (chu trình nằm khoảng từ đến 1), điện áp tăng theo chu trình D, dần vô D dần 4.4.1 Mạch chuyển đổi giảm áp Sơ đồ mạch Sơ đồ phân tích trạng thái hoạt động Bậc giữ vai trị cấp điện cho tải qua mạch lọc tần số thấp Diod giữ nhiệm vụ cho dòng điện qua cuộn cảm L (D ngƯng, S đóng cho qua theo chiều ngƯợc lại (D dẫn, S hở) Để phân giải mạch ta thừa nhận giả thiết sau − Mạch hoạt động chế độ thƯờng trực Dòng cuộn cảm liên tục (luôn dƯơng) 91 − Tụ điện lớn giữ điện không đổi V − Chu kỳ giao hốn T, S đóng thời gian DT S hở thời gian (1–D)T − Các linh kiện lý tƯởng Công suất cơng suất vào Theo thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm S đóng S hở khơng Phân giải S đóng Khi S đóng, diod phân cực nghịch nên ngƯng, ta có dịng điện chạy qua cuộn cảm Điện cuộn cảm Suy ra: diL VI  VO  dt L 92 Do đạo hàm dòng số dƯơng khơng đổi, dịng điện tăng tuyến tính Sự thay đổi dịng điện S đóng viết lại theo dạng sau: Phân giải bậc hở Khi bậc hở, diod trở nên phân cực thuận nên dẫn, cho dịng điện cuộn cảm chạy qua hình 3.6 Điện qua cuộn cảm bậc hở Đạo hàm dòng điện qua cuộn cảm số âm, dịng giảm tuyến tính hình Sự thay đổi dòng cảm bậc S hở Hoạt động thƯờng trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm cuối chu kỳ giao hoán với trị số lúc bắt đầu nghĩa thay đổi tổng cộng dịng cuộn cảm chu kỳ khơng Điều địi hỏi: Giải ta điện Điện DC nhỏ điện DC vào Dịng điện trung bình qua cuộn cảm: Dịng điện trung bình qua cuộn cảm phải dịng qua tải dịng trung bình qua tụ khơng chế độ thƯờng trực Sự thay đổi dòng qua cuộn cảm cho phƯơng trình (3.14) (3.15) giúp ta tính trị max 93 Chú ý: cách phân giải ta xem dòng điện liên tục TrƯờng hợp dịng khơng liên tục xét đến sau − Trị số L = giới hạn dịng liên tục khơng liên tục, ta tính Vì I trị số cực tiểu cuộn cảm cần thiết để dòng qua cuộn cảm liên tục : L − Độ dợn sóng ngõ Ở đoạn trƯớc ta giả sử tụ điện C có trị số lớn để giữ điện ngõ không đổi Trong thực tế, điện không hồn tồn khơng thay đổi với điện dung có trị số có hạn Sự thay đổi điện thay đổi chung quanh trị số trung bình gọi điện dợn sóng Độ dợn sóng tính theo biểu thức dòng điện - điện tụ điện Ta có dịng qua tụ nhƯ Khi dịng qua tụ có trị dƯơng, tụ nạp điện ta có Mặt khác thay đổi điện tích diện tích tam giác nằm phía trục t cho ta Nhận xét Do chuyển đổi DC – DC lý tƯởng nên ta có: 94 Mặt khác theo (9) ta cịn có Vo = Vi.D thay vào ta có: Ta có biểu thức tƯơng tự nhƯ biến mạch AC Do đó, chuyển đổi DC – DC gọi biến DC: 4.4.2 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) Boost Converter biến đổi DC dùng để biến đổi điện áp DC ngõ cao điện áp DC ngõ vào • Sơ đồ mạch Boost Converter Sơ đồ phân tích hoạt động Cơng tắc sử dụng MOSFET, IGBT, BJT Để có hiệu cao cơng tắc phải đóng mở nhanh có tổn hao thấp Việc phát minh linh kiện bán dẫn thập niên 50 kiện lớn giúp cho linh kiện làm việc chế độ công tắc mạch Boost converter hoạt động Cơng tắc bán dẫn đóng ngắt nhanh có độ bền cao so với loại cơng tắc khác nhƯ bóng bán dẫn, rơle điện từ… Bộ biến đổi DC phát triển năm đầu thập niên 60 mà công tắc bán dẫn sử dụng rộng rãi • Phân tích mạch 95 Mạch có dạng nhƯ hình 3.7 Hai trạng thái mạch Boost converter tùy thuộc vào vị trí cơng tắc S nhƯ hình 3.8 Ngun tắc hoạt động mạch Boost converter gồm chế độ khác − Trạng thái ON: cơng tắc S đóng (hình 3.8), dòng điện cuộn dây tăng lên − Trạng thái OFF: cơng tắc S hở (hình 3.8), dịng điện qua diode D, tụ điện C tải R Kết lƯợng cuộn dây tích lũy trạng thái ON nạp cho tụ C - Khi phân giải mạch tăng ta giả sử điều kiện ban đầu nhƯ mạch hạ − Mạch hoạt động chế độ thƯờng trực − Dòng cuộn cảm liên tục (luôn dƯơng) − Tụ điện lớn giữ điện không đổi V − Chu kỳ giao hốn T, S đóng thời gian DT S hở thời gian (1–D)T − Các linh kiện lý tƯởng Công suất công suất vào 96 Hình 5.7 b Bộ nghịch lưu điện áp pha Trên hình 5.7 b trình bày sơ đồ biến tần pha Các Thyristor T1-T4 nối theo sơ đồ cầu điều khiển cặp (T1, T4 T2, T3) Các tụ điện C1, C2 làm nhiệm vụ chuyển mạch Ví dụ T1, T4 mở cho dịng điện chay qua, tụ điện C1, C2 nạp tới giá trị điện áp nguồn Khi mở T2, T3 C1 phóng điện qua T1, T2 cịn C2 phóng qua T3, T4 NhƯ vậy, dòng qua T1, T4 giảm tới 0, Thyristor bị ngắt Các Diode D1D4 ngăn tụ chuyển mạch với tải để loại trừ ảnh hƯởng tụ lên tải Các Diode D5-D8 tạo thành cầu ngƯợc cho dòng phản kháng qua tụ C0 Ví dụ: Nếu trƯớc T1-T4 mở, dịng tải chạy theo chiều mũi tên hình vẽ cho xung mở T2-T3 dòng tải tác dụng suất điện động tự cảm mạch tải đổi chiều đột ngột mà giữ chiều cũ khoảng thời gian t2-t3 Trong khoảng thời gian t2-t3, dòng chạy qua D6-C0-D7 Các điện kháng L1, L2 dùng để hạn chế dịng điện phóng C1, C2 khơng qua Thyristor cần khố (vì C1 cịn phóng điện mạch D1-D5-L1-T2, cịn C2 mạch T3-L2-D8-D4) Nếu khơng có L1, L2 dịng điện phóng theo mạch vừa nói lớn chuyển mạch gặp khó khăn Điện áp tải có dạng chữ nhật Để biểu thức i(t) qua tải ta dùng phép biến đổi Laplace phép biến đổi ngƯợc 5.3.2 Điều chỉnh điện áp nghịch lưu độc lập nguồn áp: Trong NLĐL nguồn áp, điện áp có dạng cố định, khơng phụ thuộc vào phụ tải, phải có biện pháp để điều chỉnh điện có yêu cầu Điện áp tải điều chỉnh phƯơng pháp : Dùng chỉnh lưu có điều khiển PhƯơng pháp có Ưu điểm đơn giản, chắn Tuy nhiên dạng điện áp đầu chỉnh lưu có điều khiển có độ nhấp nhơ lớn điều chỉnh sâu Đây điều khơng mong muốn ảnh hƯởng mạnh đến chế độ làm việc nghịch lưu Điều chỉnh độ rộng xung điện áp nghịch lưu cách thay đổi khoảng dẫn van Để đảm bảo điện áp không phụ thuộc vào tải trình điều khiển van đƯờng chéo dùng mở khoảng: V1, V2 : tx V3, V4 : T/2 T/2 + tx Trong khoảng tx  T/2 T/2 + tx  T phải ngắn mạch tải để điện áp tải Trong khoảng ngắn mạch tải lên (+) (-) đƯờng điện áp chiều NhƯợc điểm phƯơng pháp thành phần sóng hài điện áp thay đổi trình điều chỉnh 109 Điều chỉnh điện áp phƯơng pháp cộng điện áp hai nghịch lưu với góc pha khác PhƯơng pháp biến điệu bề rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) Đây phƯơng pháp tiên tiến, hiệu vì: a Vừa điều chỉnh điện áp ra, vừa điều chỉnh tần số b Điện áp gần có hình sin c Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào nghịch lưu làm tăng hiệu sơ đồ Nội dung phƯơng pháp biến điệu bề rộng xung so sánh sóng Sin chuẩn, có tần số tần điện áp nghịch lưu mong muốn, với điện áp cƯa tần số cao, cỡ 2 10 kHz PhƯơng pháp biến điệu bề rộng xung có nhiều dạng, có hai dạng đơn giản là: biến điệu bề rộng xung cực tính hai cực tính Theo dạng áp cực tính khoảng điện áp Sin chuẩn cao điện áp cƯa mở van để đƯa điện áp tải, khoảng điện áp Sin chuẩn thấp điện áp cƯa khóa van để điện áp tải khơng Điện áp tạo thành riêng cho nửa chu kỳ dƯơng nửa chu kỳ âm Theo điện áp hai cực tính khoảng điện áp +E Sin chuẩn cao xung cƯa –E Sin chuẩn thấp Đối với hai van nhánh cầu tín hiệu diều khiển lần khóa van mở van dƯới ngƯợc lại phải có thời gian trễ tối thiểu nhằm đảm bảo van khóa lại chắn trƯớc van mở Nếu khơng xuất dịng đâm xun làm tăng tổn thất sơ đồ chí phá hỏng van Hình 5.8 mơ tả xuất dịng đâm xuyên yêu cầu tín hiệu điều khiển Hình 5.8 Dịng đâm xun u cầu tín hiệu điều khiển NhƯ điện áp lám dãy xung có độ rộng thay đổi có chu kỳ lặp lại chu kỳ sóng cƯa Dạng áp nhƯ chứa thành phần sóng hài bậc với tần số tần số sóng chủ đạo, biên độ phụ thuộc hệ số biến điệu , : 110 = Uc, m Ur, m 01 Uc,m : Biên độ sóng Sin chủ đạo Ur,m : Biên độ sóng cƯa Khi  = 0, Ura =0,  =1, Ura= Ura,max Điện áp cứa thành phần sóng bậc cao với tần số bội số tần số xung cƯa Do tần số xung cƯa cao so với tần số Sin chuẩn nên dễ dàng loại bỏ sóng hài bậc cao Đây đặc điểm phƯơng pháp biến điệu bề rộng xung NhƯợc điểm phƯơng pháp van phải làm việc với tần số đóng ngắt cao nên tổn hao cơng suất đóng ngắt lớn, hệ thống điều khiển phức tạp 5.3.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha: Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha biểu diễn hình 4.9 Sơ đồ gồm van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4, V5, V6 diode ngƯợc D1, D2, D3, D4, D5, D6 Các diode ngƯợc giúp cho trình trao đổi cơng suất phản kháng tải với nguồn Đầu vào chiều nguồn áp với đặc trƯng có tụ C với giá trị đủ lớn Phụ tải pha đố xứng ZA=ZB=ZC đấu Y  Hình 5.9 Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha Để tạo hệ thống điện áp xoay chiều ba pha biên độ nhƯng lệch pha góc 120, van điều khiển theo thứ tự nhƯ ký hiệu sơ đồ, van vào dẫn cách 60 Khoảng điều khiển dẫn van  khoảng từ 120 đến 180 Để thuận tiện cho việc xây dựng hệ thống điều khiển  thƯờng chọn giá trị 120, 150, 180 Theo dõi khoảng dẫn van thấy nguyên tắc tạo thành hệ thống điện áp ba pha tải 111    60 : V1, V2, V3 dẫn Do ZA song song với ZC nối tiếp với ZB trở kháng tải nên 3 uA = uC = E ; uB = E TƯơng tự nhƯ ta có : 3 3 60   < 120 : V1, V5, V6 dẫn uA = E; uC = uB = E 120    180 : V2, V3,V4 dẫn uA = uC = E; uB = E Từ ta thấy điện áp pha có dạng bậc thang Dòng tải thể cho trƯờng hợp tải trở cảm Ngày nghịch lưu áp ba pha thƯờng dùng chủ yếu với biến điệu bề rộng xung, đảm bảo điện áp có dạng hình sin Để đảm bảo điện áp khơng có dạng phụ thuộc tải ngƯời ta thƯờng dùng biến điệu rộng xung hai cực tính, nhƯ pha sơ đồ ba pha điều khiển độc lập với Ví dụ pha A, V1 điều khiển mở V4 khóa ngƯợc lại Vấn đề biến điệu bề rộng xung ba pha phải có ba sóng Sin chủ đạo có biên độ xác lệch pha xác 120 tồn giải điều chỉnh Điều khó thực mạch tƯơng tự Ngày ngƯời ta chế tạo hệ thống điều khiển biến điệu bề rộng xung ba pha mạch số với vi xử lý đặc biệt Nhờ dạng xung điều khiển tuyệt đối đối xứng khoảng dẫn van xác định xác, kể thời gian trễ van pha để tránh dòng đâm xuyên hai van 5.4 Bộ nghịch lưu nối tiếp : Trong nghịch lưu nối tiếp, tải tham gia trực tiếp gián tiếp vào mạch cộng hƯởng gây nên dao động để mở Thyristor chu kỳ Ngắt Thyristor thực cộng hƯởng Chúng ta phân tích nghịch lưu nối tiếp hình 5.10 Hình 5.10 Hệ thống nghịch lưu nối tiếp Giả thiết tụ C chƯa nạp điện Khi mở Thyristor T1 tụ điện cộng hƯởng mạch T1- L1- L-S-R-C tới điện áp gần 2E Nếu chất lƯợng mạch lớn ( 112 thực tế coi lớn ) xung dịng có dạng hình Sin Sau dòng điện i đổi chiều T1 ngắt cộng hƯởng Điện áp tụ giữ lại T2 mở Sau T2 dẫn, tụ điện chuyển nạp cộng hƯởng mạch C – R – L – S – L2 – T2, T2 bị khoá giống nhƯ T1, xuất xung thứ dòng tải Xung có dạng hình Sin chu kỳ âm dòng tải Dạng dòng điện phụ thuộc vào vị trí tƯơng hỗ xung, tức phụ thuộc vào mối quan hệ nửa chu kỳ dao động riêng nửa chu kỳ tạo xung Thời gian ngắt lớn xảy trƯờng hợp fi < fo thời gian chuyển nạp cộng hƯởng tụ điện tx cộng thêm thời gian chậm top Khi fi = fo, ta có dạng dịng tải tốt Xấu fi = fo dạng dịng gần với dạng hình chữ nhật, độ tăng dòng điện áp lớn, thời gian td giảm Những nghiên cứu gần nghịch lưu có fi lớn fo khơng nhiều, nghịch lưu nối tiếp giữ Ưu điểm Nếu nhƯ dịng điện khơng cần dạng hình Sin nghịch lưu nối tiếp làm việc vớifi < fo tốt NgƯời ta nhận thấy tăng thời gian ngắt td = top + tx cần phải nhận giá trị Q lớn (ví dụ Q> 1,4) nhƯng Q lớn lại làm giảm cơng suất tải Độ tăng điện áp tăng giới hạn tăng giá trị Q Độ tăng điện áp phụ thuộc mạnh vào Q, nên nhận 1< Q tr 5.7 Các biến tần Biến tần biến đổi nguồn điện áp với thông số điện áp tần số không đổi, thành nguồn điện áp với điện áp tần số thay đổi Thông thƯờng biến tần làm việc với nguồn điện áp đầu vào điện áp lƯới nhƯng nguyên tắc biến tần làm việc với nguồn điện áp xoay chiều Về nguyên lý biến tần chia làm hai loại : Biến tần gián tiếp biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp hay cịn gọi biến tần có khâu trung gian chiều, dùng chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn chiều, sau lại dùng nghịch lưu biến đổi nguồn chiều thành nguồn 119 xoay chiều Khâu trung gian chiều đóng vai trị khâu tích luỹ lƯợng dƯới dạng nguồn áp dùng tụ địên nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo khâu cách ly định phụ tải nguồn điện áp lƯới Biến tần trực tiếp khác với biến tần gián tiếp tạo điện áp tải phần điện áp lƯới, lần nối tải vào nguồn phần tử đóng ngắt khoảng thời gian định, không thông qua khâu lƯợng trung gian Do khác mặt nguyên lý nhƯ biến tần trực tiếp trao đổi lƯợng với lƯới điện cách liên tục Đây đặc tính Ưu việt biến tần trực tiếp so với biến tần gián tiếp, điện công suất lớn cực lớn từ hàng trăm Kw đến vài Mw Ngồi tổn hao cơng suất biến tần trực tiếp phụ tải nối với nguồn qua phần tử đóng cắt, khơng phải qua hai phần tử qua khâu trung gian nhƯ biến tần gián tiếp Tuy nhiên sơ đồ van qui luật điều khiển biến tần trực tiếp phức tạp biến tần gián tiếp Với kỹ thuật điện tử kỹ thuật vi xử lý phát triển vấn đề hoàn toàn thực 5.7.1 Biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp cấu tạo từ chỉnh lưu khâu lọc trung gian nghịch lưu biến đổi giới thiệu kĩ phần Vì Ta cần giới thiệu khái quát số sơ đồ để thấy số đặc điểm sơ đồ thực tế Tuỳ thuộc khâu trung gian chiều làm việc chế độ nguồn dòng hay nguồn áp biến tần chia làm loại chính:  Biến tần nguồn dịng  Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển  ) Biến tần nguồn áp không điều khiển (sử dụng nghịch lưu áp biến đổi bề rộng xung b Biến tần nguồn dòng: Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều kiện, nghịch lưu SCR Ưu điểm biến tần loại có sơ đồ đơn giản có sử dụng SCR với tần số khơng cao Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu Nghich lưu sơ đồ nguồn dòng song song Hệ thống tụ chuyển mạch cách ly với tải qua hệ thống diode cách ly Dịng nghịch lưu có dạng xung hình chữ nhật, điện áp có dạng tƯơng đối Sin phụ tải động Ưu điểm biến tần loại dùng với động không đồng sơ đồ có khả trả lƯợng lƯới Khi động chuyển chế độ máy phát đầu dịng vào nghịch lưu giữ khơng đổi nhƯng chỉnh lưu làm việc chuyển sang góc làm việc với góc điều khiển lớn 900, nghĩa chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc, nhờ lƯợng từ phía nghịch lưu đƯa lƯới Biến tần nguồn dịngcũng sợ chế độ ngắn mạch có hệ thống giữ dịng khơng đổi nhờ chỉnh lưu có điều khiển cuộn kháng mạch chiều Với cơng suất nhỏ sơ đồ khơng phù 120 hợp hiệu suất cồng kềnh nhƯng với cơng suất 100 Kw phƯơng án hiệu NhƯợc điểm sơ đồ hệ số công suất thấp phụ thuộc vào phụ tải, tải nhỏ c Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển: Biến tần nguồn áp loại dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào chiều điều khiển Điện áp chiều cung cấp dùng chỉnh lưu có điều khiển chỉnh lưu khơng điều khiển, sau điều chỉnh nhờ biến đổi xung áp chiều Với phƯơng án thứ hai hệ số cơng suất sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải Tuy nhiên có sơ đồ qua nhiều khâu biến đổi hiệu suất kém, phụ thuộc cho tải nhỏ, dƯới 30Kw Biến tần nguồn áp có dạng điện áp xung chữ nhật, biên độ điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp chiều Hình dạng giá trị điện áp không phụ thuộc phụ tải, dịng điện tải xác định Điện áp có độ méo phi tuyến lớn, khơng phù hợp với số loại phụ tải Ngày biến tần nguồn áp chế tạo chủ yếu với điện áp biến điệu bề rộng xung d Biến tần nguồn áp biến điệu bề rộng xung : Biến tần loại dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào Điện áp tần số đầu hoàn toàn phần nghịch lưu xác định Nghịch lưu thƯờng sử dụng van điểu khiển hoàn toàn nhƯ GTO, IGBT, Transistor công suất IGBT Transistor công suất sử dụng cho biến tần công suất tới 300 Kw điện áp lƯới đầu vào đến 690 V.Tần số sóng mang thƯờng đến 12Khz công suất 55Khz , với công suất lớn tần số bị giới hạn dƯới Khz GTO sử dụng cho biến tần công suất 300kw, điện áp lƯới đến 690V tần số sóng mang Khz Tần số đóng ngắt cao biến điệu bề rộng xung tạo điện áp đầu gần Sin cần mạch lọc LC đơn giản tạo điện áp hình Sin tuyệt đối Vì sử dụng chỉnh lưu khơng điều khiển đầu vào nên hệ số công suất sơ đồ gần nhƯ (cỡ 0.98) không phụ thuộc vào phụ tải Tuy nhiên thời điểm đóng điện ban đầu dịng nạp cho tụ chiều có giá trị lớn, cần phải hạn chế dòng khởi động nạp tụ ban đầu 5.7.2 Biến tần trực tiếp a Nguyên lý biến tần trực tiếp: Nguyên lý biến tần trực tiếp gồm ba pha điện áp Mỗi pha điện áp tạo sơ đồ nguyên tắc sơ đồ chỉnh lưu có đảo chiều, gồm hai cầu chỉnh lưu pha ngƯợc Mỗi cầu chỉnh lưu có nhiệm vụ tạo ra, nửa chu kỳ điện áp ra, dƯơng âm Nửa chu kỳ điện áp làm việc với điện áp điều khiển thay đổi theo hình Sin chuẩn, có tần số chậm tần số điện áp lƯới NhƯ điện áp bao gồm đoạn điện áp lƯới với tần số đập mạnh tần số đập mạnh sơ đồ chỉnh 121 lưu tƯơng ứng nhƯng với góc điều khiển  liên tục thay đổi theo thay đổi điệnáp điều khiển Về nguyên tắc biến đổi có đảo chiều làm việc theo nguyên tắc điều khiển chung điều khiển riêng Mỗi pha điện áp tạo tia ba pha đảo chiều Ta mô tả nguyên lý biến tần trực nguyên tắc điều khiển riêng cho biến đổi đảo chiều pha PhƯơng pháp điều khiển riêng cho phép loại bỏ cuộn kháng cân biến đổi kỹ thuật tiên tiến thƯờng áp dụng Nguyên lý tạo điện áp biến tần trực tiếp dùng cho SCR chuyển mạch tự nhiên Do tần số điện áp phải thấp nhiều so với tần số lƯới, cỡ 10 25 Hz Tuy nhiên sử dụng van bán dẫn điều khiển hồn tồn đạt tần số cao NhƯ biết điện áp sơ đồ chỉnh lưu phụ thuộc góc điều khiển  theo quy luật: Ud = Ud0 COS Nếu sử dụng quy luật điều khiển arcos, cho  = arccosUdk ta có Ud = Ud0Udk Khi thay đổi Udk theo quy luật Udk = µ.sin (2t) ta có : Ud = Ud0 µsin (2t) Trong : 2 tần số góc nhỏ tần số góc điện áp lƯới µ = Udk /Udkmax : hệ số biến điệu , < µ < Theo nguyên lý điều khiển điện áp Sin chuẩn với tần số góc 2 so sánh với hệ thống điện áp tựa dạng Cos để xác định góc điều khiển  cho van làm việc sơ đồ chỉnh lưu ba pha Nếu thay đổi biên độ điện áp Sin chuẩn so với biên độ điện áp tựa, nghĩa thay đổi hệ số biếu điệu µ ta điều chỉnh giá trị điện áp đầu Trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha góc điều khiển tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên ứng với góc 30 theo đƯờng điện áp pha NhƯ điện áp pha sớm pha 60 so với đƯờng điện áp pha tƯơng ứng có điểm cao sau 90 điện áp điều khiển dạng Cos điện áp pha -B Hệ thống điện áp tựa dạng Cos hệ thống điện áp -A,-B,-C Theo nguyên tắc điều khiển riêng biến đổi đảo chiều dòng điện đến sau khoảng thời gian trễ an tồn.Vì tải trở cảm biến đổi luân phiên làm việc chế độ chỉnh lưu chế độ nghịch lưu phụ thuộc Chế độ nghịch lưu phụ thuộc biến đổi xảy gó điều khiển  > 90 NhƯ biến tần trực tiếp lƯợng trao đổi tải nguồn theo hai chiều b Nguyên lý xây dựng hệ thống điều khiển biến tần trực tiếp: Hệ thống điều khiển bao gồm khâu phát sóng Sin chuẩn ba pha a,b,c với tần số biên độ thay đổi theo mong muốn Khâu quan trọng hệ thống điều khiển khâu tạo điện áp tựa dạng Cos Yêu cầu cầu khâu điện áp tựa phải ổn định biên độ có dạng sóng khơng bị méo Điều thực 122 Z iT ANT4T nhờ biến áp đồng pha, mạch ổn áp xoay chiều mạch lọc sở phần tử tích cực nhƯ khếch đại thuật toán Khâu so sánh xác định góc điều khiển cho SCR sơ đồ Mạch logic đảo chiều phát tín hiệu cho biến đổi chiều dƯơng chiều âm làm việc tùy theo nửa chu kỳ dƯơng nửa chu kỳ âm điện áp mong muốn Tuy nhiên dòng điện mạch lực theo dõi tín hiệu phát xung vào chỉnh lưu thực dòng điện 0, trễ sau khoảng thời gian an tồn Có thể thấy số lƯợng van bán dẫn sử dụng sơ đồ lớn, điều dẫn đến điều khiển hệ thống phức tạp Tuy nhiên biến tần trực tiếp có khả trao đổi lƯợng với lƯới theo hai chiều, điều quan trọng phụ tải công suất lớn Trên sơ đồ hình 6.6 mơ tả chế độ làm việc cầu chỉnh lưu ứng với tải trở cảm, ví dụ nhƯ động điện Có thể thấy chế độ chỉnh lưu nghịch lưuphụ thuộc xen kẽ nửa chu kỳ điện áp Do có đặc tính Ưu việt mà biến tần trực tiếp sử dụng cho dải công suất lớn 1000 – 30000 kw Với công suất lớn nhƯ số lƯợng van sử dụng độ phức tạp hệ thống điều khiển khơng cịn coi trở ngại vấn đề khả biến đổi công suất hiệu suất biến đổi Với hệ truyền động công suất lớn việc giảm bớt hộp giảm tốc đem lại hiệu kinh tế lớn giá thành hộp giảm tốc chi phí vận hành cao Đó lý để ngƯời ta ứng dụng biến tần trực tiếp cho động có cơng suất cực lớn, có số vịng quay thấp cần điều chỉnh 123