Bài giảng môn học Điện tử ứng dụng

Chỉnh Lưu Toàn Kì Công Suất Có Điều Khiển: a/ Sơ đồ mạch: Đối với các mạch nắn điện điều khiển dùng SCR thì thường SCR được đặt sau tải để kathode nối đến mạch có U = 0V thì mạch điều k

Bài 1: CHỈNH LƯU - NGHỊCH LƯU - BIẾN TẦN

1.1 CHỈNH LƯU:

1.1.1 Khái niệm chung:

Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều Hiện nay trong kĩ thuật chỉnh lưu hầu như người ta chỉ dùng các phần tử bán dẫn công suất (diode, thyristor) Điều đó là do các bộ chỉnh lưu bán dẫn có hiệu suất rất cao, làm việc tin cậy, gia thành rẻ, chi phí bảo dưỡng không đáng kể, kích thước và trọng lượng bé Để chỉnh lưu công suất nhỏ người ta thường dùng các bộ chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì, còn để chỉnh lưu công suất công suất lớn, người ta thường dùng các bộ chỉnh lưu 3 pha Ưu điểm của các bộ chỉnh lưu 3 pha là cho công suất ra tải lớn và điện áp, dòng điện ra tải ít dao động

Ở bán kì (-) của dòng điện xoay chiều qua biến áp đến diode Do diode mắc theo chiều thuận nên ở bán kì (-) diode sẽ không thông (không dẫn)→không nối tải Rt vào nguồn→Vt=0

D1

Rt U

AC t

V R

It 2

π

=+Diode chịu điện áp ngược max:

AC

V max = 2

d Ứng Dụng:

Đây là sơ đồ đơn giản rất ít ứng dụng trên thực tế

1.1.2.2 CHỈNH LƯU TOÀN KÌ CÔNG SUẤT: ( chỉnh lưu cầu 1 pha)

i Chỉnh Lưu Toàn Kì Công Suất Không Điều Khiển:

_Nguồn cấp cho mạch là nguồn điện xoay chiều VIN = VAC

Ungmax= Vin Giá trị trung bình của dòng điện tải:

in t

R R

V t = V IN V t = -V IN

ii Chỉnh Lưu Toàn Kì Công Suất Có Điều Khiển:

a/ Sơ đồ mạch:

Đối với các mạch nắn điện điều khiển dùng SCR thì thường SCR được đặt sau tải để kathode nối đến mạch có U = 0V thì mạch điều khiển tạo dòng điện kích sẽ có thiết kế tính toán đơn giản hơn

Khi dùng SCR thì ngoài điều khiển để có VAK > 0V để phân cực thuận SCR thì cần phải có thêm điều kiện IG > 0 như vậy khi nguồn VAC có bán kì (+) nhưng nếu không kích 1 xung (+) vào cực G thì SCR không dẫn điện lúc đó điện áp ra trên tải vẫn là 0V

Vt

Hệ thống điện áp cung cấp vào là hệ thống điện áp 3 pha với cùng biên độ

và lệch pha nhau một góc 120độ

Giá trị tức thời của điện áp đầu vào là:

θ Sin U

u A = 1m

)3

4(

)3

2(

1

1

π θ

π θ

Sin U u

m C

m B

Trong đo: θ = ωt – góc pha

DADBDC

Trên đồ thị các điểm θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, …tại đó các đường điện áp pha cắt nhau, gọi là đường chuyển mạch tự nhiên Tại các điểm chuyển mạch tự nhiên một diode mới sẽ vào dẫn dòng, diode dẫn dòng trước đó sẽ khóa lại

Do đó trong khoảng θ1 ≤ωt ≤θ2 : u1 lớn nhất (dương nhất), chỉ có DA dẫn, dòng điện sẽ qua phụ tải Rt đến điểm N Điện áp đưa ra tải ut = u1, điện áp trên DA:

Tương tự tại các pha còn lại

Dạng sóng điện áp tại ngõ ra sau khi được chỉnh lưu

• Giá trị trung bình của dòng điện tải

AC t

V R R

1.1.3.2 CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA:

i) Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Dùng Diode:

a/ Sơ đồ mạch:

Chỉnh lưu cầu 3 pha cấu tạo từ máy biến áp 3 pha và 6 diode D1→D6 và

được mắc theo 2 nhóm: D1, D2, D3 mắc kathode chung; D4, D5, D6 mắc anode

trong khoảng 1→3, pha A có điện áp (+) nhất nên D1 sẽ dẫn D2 dẫn trong khoảng 3→5, D3 dẫn trong khoảng 5→7

Trong nhóm anode chung, trong khoảng 2→4 pha c có điện áp (-) nhất nên D6 sẽ dẫn D4 dẫn trong khoảng 4→6 D5 dẫn trong khoảng 6→8

2

33

=Π

Mạch nắn điện điều khiển 3 pha cấu tạo từ máy biến áp 3 pha và 6 thyristor

chia ra 2 nhóm:

+ Nhóm nối kathode chung là T1, T2 ,T3

+ Nhóm nối anode chung là T4, T5, T6

Để điều khiển mở các SCR này người ta thường dùng 1 máy phát xung

dòng điện điều khiển iG Các xung dòng iG phải phát ra theo thứ tự iG1, iG6, iG2, iG4,

iG3, iG5 cách nhau 1 khoảng = ð / 3

Mỗi SCR trong nhóm kathode chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây

thứ cấp nối với nó là lớn nhất và nó có tín hiệu điều khiển iG Còn mỗi SCR trong

nhóm anode chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây thứ cấp nối với nó là âm

nhất và nó có tín hiệu điều khiển iG Khi 1 trong 3 SCR của nhóm mở thì 2 SCR

còn lại của nhóm đó khoá lại

iii Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Không Đối Xứng:

Trong mạch này, người ta vẫn dùng máy biến áp 3 pha, 3 thyristor T1, T2, T3 nhưng thay 3 thyristor T4, T5, T6 bằng 3 diode D1, D2, D3 sự thay thế như vậy làm giảm giá thành của mạch và mạch vẫn điều khiển được điện áp chỉnh lưu

iv) Chỉnh Lưu 6 Pha Có Cuộn Kháng Cân Bằng:

Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng (LCB) bao gồm máy biến áp động lực, cuộn kháng cân bằng, 6 diode chia làm 2 nhóm D1→D3, D4→D6 mỗi nhóm sẽ làm việc độc lập như 1 sơ đồ tia 3 pha

Cuộn kháng cân bằng LCB có cấu tạo như 1 máy biến áp tự ngẫu Với mạch từ hình chữ O và 2 nửa cuộn dây như thể thiện trên hình vẽ, dòng điện đi

D4D5D6

A

ZtB

vào từ điểm M sẽ được chia đôi và cuộn kháng sẽ ở trong chế độ cân bằng sức từ động như một máy biến áp

i) Hiện Tượng Chuyển Mạch:

Trong các chương trước ta luôn giả thiết các phần tử trong sơ đồ là lý tưởng: máy biến áp chỉ đơn thuần là bộ biến đổi mức điện áp, nghĩa là điện áp phía thứ cấp liên hệ với điện áp phía sơ cấp qua tỉ số máy biến áp; nguồn cấp điện xoay chiều thuần tuý là nguồn điện áp với trở kháng trong bằng không, các khoá lý tưởng với thời gian đóng mở bằng không…

Trong thực tế đường dây cung cấp nguồn xoay chiều có điện cảm, điện trở, bản thân máy biến áp cũng có điện trở cuộn dây và trở kháng tản cuộn dây Đối với công suất lớn thông thường điện trở thuần là nhỏ, không đáng kể đối với trở kháng tản Trở kháng tản của cuộn dây máy biến áp và các thành phần điện cảm trên đường dây tạo nên điện cảm trên đường cấp điện ở đầu vào của chỉnh lưu Chính thành phần điện cảm này làm kéo dài quá trình chuyển mạch giữa các khóa bán dẫn, làm cho một khóa khi khóa lại thì phải có một thời gian để dòng qua khóa giảm dần về không, còn một khóa mới mở ra thì cũng phải mất một thời gian như vậy để dòng tăng từ không đến giá trị dòng tải Quá trình này gọi là quá trình chuyển mạch, thời gian diễn ra gọi là thời gian chuyển mạch

ii) Chuyển Mạch Trong Sơ Đồ Hình Tia 1 Pha:

Giả sử T1 đang dẫn dòng với IT1=It, cực tính điện áp nguồn đang như trên hình vẽ Như vậy nếu có tín hiệu điều khiển đến T2 thì T2 sẽ mở ra vì điện áp anode-kathode của nó đang (+) Tuy nhiên do có điện cảm La trong mạch nên dòng qua T2 không thể lập tức bằng It Cũng với lý do như vậy, dòng qua T1 không thể lập tức giảm từ It về 0 ngay Trong quá trình dòng qua T2 lớn dần lên đến It và dòng qua T1 giảm dần về 0 cả T1, T2 đều dẫn Khi đó nguồn điện áp U1, U2 bị nối ngắn mạch tạo nên dòng cân bằng ia giữa U1, T1, U2, T2 Dòng cân bằng hay còn gọi là dòng chuyển mạch, tăng cường dòng qua T2 và làm giảm dòng qua T1 Quá trình chuyển mạch diễn ra rất ngắn so với chu kì đóng cắt của các van SCR nên có thể giả thiết rằng trong thời gian chuyển mạch dòng tải It vẫn không đổi

iii) Chuyển Mạch Trong Sơ Đồ Cầu 1 Pha :

Sơ đồ tương đương của quá trình chuyển mạch trong sơ đồ cầu 1 pha Trên sơ đồ tương đương giả sử T1, T2 đang dẫn, có tín hiệu điều khiển đưa đến T3,T4; sẽ xảy ra hiện tượng chuyển mạch giưã T1, T3 và giữa T2, T4 dòng chuyển mạch bao gồm ia1, ia2

So với chỉnh lưu tia 1 pha thì chỉnh lưu cầu sụt áp do quá trình chuyển mạch lớn gấp đôi Đó là vì trong thời gian chuyển mạch có 2 nhóm SCR cùng chuyển mạch một lúc

iv) Chuyển Mạch Trong Sơ Đồ Hình Tia 3 Pha:

Sơ đồ tương đương của chỉnh lưu tia 3 pha

Ơ sơ đồ tương đương của chỉnh lưu tia 3 pha , trong đó nguồn điệp áp xoay chiều đầu vào được thay thế bởi nguồn suất điện động 3 pha ua, ub, uc, nối tiếp với điện cảm tản L

Xét sự chuyển mạch giữa T2, T1 Giả sử T1 đang dẫn Điện áp ub bắt đầu(+) nhất nên nếu có tín hiệu điều khiển đưa đến T2 thì T2 sẽ mở ra được và bắt đầu quá trình chuyển mạch giữa T2 với T1

v) Chuyển Mạch Trong Sơ Đồ Cầu 3 Pha:

Sơ đồ tương đương của 1 chỉnh lưu cầu 3 pha

Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ diễn ra giống như ở sơ đồ tia 3 pha đối với 2 nhóm SCR kathode chung và anode chung Điểm khác nhau sẽ

là trong một chu kì điện áp nguồn sẽ có 6 lần chuyển mạch xảy ra chứ không phải

là 3 lần như ở chỉnh lưu tia 3 pha

1.2.1.2 NGHỊCH LƯU PHỤ THUỘC:

Nghịch lưu phụ thuộc là 1 chế độ làm việc của các sơ đồ chỉnh lưu, trong

đó năng lượng từ phía một chiều được đưa trả về lưới điện xoay chiều Đây là chế

độ làm việc rất phổ biến của các bộ chỉnh lưu, đặc biệt với các ứng dụng trong các

hệ thống truyền động một chiều Khi một máy điện một chiều được điều khiển bởi một bộ chỉnh lưu, máy điện có thể là động cơ tiêu thụ năng lượng từ lưới điện và cũng có thể đóng vai trò là nguồn phát năng lượng

Các yêu cầu để có thể thực hiện được chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trong

đó năng lượng từ phía một chiều được đưa trả về phía xoay chiều

Trong mạch một chiều phải có suất điện động một chiều Eđ có cực tính tăng cường dòng It, nghĩa là dòng một chiều của bộ biến đổi phải đi vào ở cực âm và đi

ra ở cực dương của Eđ

Góc diều khiển > 90 Như vậy đầu ra của bộ chỉnh lưu không thể là nguồn cấp năng lượng vì dòng một chiều It sẽ đi ra ở cực (-) va đi vào ở cực (+) của Ut Đảm bảo góc khóa ≥ wtr trong đó tr là thời gian phục hồi tính chất khoá của SCR

i) Nghịch Lưu Phụ Thuộc Trong Sơ Đồ Hình Tia 1 Pha:

ii) Nghịch Lưu Phụ Thuộc Trong Sơ Đồ Cầu 1 Pha:

Chế độ nghịch lưu thuộc trong sơ đồ cầu 1 pha xảy ra tương tự như sơ đồ tia 1 pha, chỉ khác là sụt áp do quá trình chuyển mạch sẽ lớn gấp đôi

iii) Nghịch Phù Thuộc Trong Sơ Đồ Hình Tia 3 Pha:

Với sơ đồ tia 3 pha các yêu cầu đề có thể thực hiện được chế độ nghịch lưu thuộc cũng giống như ở các sơ đồ 1 pha

iv) Nghịch Lưu Thụôc Trong Sơ Đồ Cầu 3 Pha:

1.2.1.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐẢO CHIỀU:

Một số phụ tải một chiều yêu cầu điện áp một chiều cung cấp có thể đảo chiều được cực tính Vd: đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ tương ứng với yêu cầu đảo chiều quay động cơ, hệ thống mạ đảo dòng…

Về nguyên tắc các hệ thống yêu cầu đảo cực tính điện áp nguồn sẽ gồm 2

bộ chỉnh lưu (CL1,CL2) thuận và ngược cùng được cung cấp bởi một nguồn xoay chiều Phương pháp điều khiển bộ biến đổi có đảo chiều gồm phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng

i) Điều Khiển Chung:

Trong cấu trúc điều khiển chung CL1 và CL2 làm việc song song ở mọi thời điểm Do có sự chênh lệch về giá trị tức thời trên đầu ra của mỗi bộ chỉnh lưu nên cần có cuộn kháng cân bằng L để hạn chế dòng điện quẩn giữa 2 bộ biến đổi

Về nguyên tắc dòng điện “quẩn” có giá trị nhỏ, giá trị trung bình của điện áp đầu

ra của 2 bộ biến đổi phải bằng nhau Điều này dẫn đến khi 1 bộ đang làm vịêc ở chế độ chỉnh lưu thì bộ kia phải làm việc “chờ” trong chế độ nghịch lưu phù thuộc

Cấu trúc điều khiển chung có ưu điểm là độ tác động nhanh rất tốt, không

hề có độ trễ khi đảo cực tính điện áp ra tải Tuy nhiên nhược điểm của cấu trúc này

là yêu cầu có cuộn kháng cân bằng L làm tăng công suất lắp đặt của hệ thống Làm chậm quá trình điện từ diễn ra trên mạch tải dẫn đến làm giảm độ tác động nhanh của hệ thống trong một số trường hợp

ii) Điều Khiển Riêng:

L

L

Zt

Trong thực tế các bộ biến đổi có đảo chiều đều được thực hiện theo cấu trúc điều khiển riêng biệt Ơ mỗi thời điểm chỉ có một bộ biến đổi làm việc, nhờ đó sẽ không cần đến cuộn kháng cân bằng Như vậy công suất lắp đặt được giảm đến mức tối thiểu gọn nhẹ, hiệu suất cao

Vấn đề chính trong thực hiện cấu trúc điều khiển riêng ;là điều khiển quá trình đảo chiều sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị, không để xảy ra ngắn mạch Vì vậy trong cấu trúc điều khiển riêng thì mạch điện thực hiện logic đảo chiều có vai trò quan trọng

1.2.2.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

1.2.2.1 TỔNG QUAN:

Nghịch lưu độc lập là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều có tần số mong muốn, cấp cho phụ tải xoay chiều làm việc độc lập ( nghĩa là phụ tải không có liên hệ trực tiếp với lưới điện) Như vậy các bộ nghịch lưu có chức năng ngược với bộ chỉnh lưu

Có 3 kiểu sơ đồ nghịch lưu thường gặp:

+ Sơ đồ 2 SCR song song

+ Sơ đồ 2 SCR nối tiếp

Zt

Nguồn áp lý tưởng là 1 nguồn điện với nội trở bằng 0 Như vậy dạng điện áp ra

là không đổi, không thuộc vào giá trị cũng như tính chất của phụ tải Dòng điện ra

sẽ thuộc phụ tải Nguồn áp sẽ làm việc được ở chế độ ngắn mạch vì khi đó về nguyên tắc dòng điện có thể lớn đến vô cùng Trong thưc tế nguồn điện áp được tạo ra bằng cách mắc ở đầu ra một nguồn một chiều của một tụ điện có giá trị đủ lớn

có mạch phản hồi dòng điện

1.2.2.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP:

i) Nghịch Lưu Độc Lập Nguồn Dòng 1 Pha:

Trên sơ đồ mỗi SCR được điều khiển mở trong nửa chu kì như vậy điện áp

một chiều E được luân phiên đặt lên mỗi nửa cuộn dây của máy biến áp Kết quả

là bên phía thứ cấp xuất hiện điện áp xoay chiều Tụ điện C mắc song song với

phụ tải ở bên phía sơ cấp máy biến áp đóng vai trò là tụ chuyển mạch Điện cảm L

có trị số lớn mắc nối tiếp với nguồn đầu vào làm cho dòng đầu vào hầu như được

phẳng hoàn toàn và ngăn tụ phóng ngược trả về nguồn khi các SCR chuyển mạch

Khi T1 mở thông điện áp E đặt lên nửa cuộn sơ cấp máy biến áp, như vậy

tụ C sẽ được nạp tới điện áp trên toàn bộ phần sơ cấp →tụ C sẽ được nạp tới điện

áp trên toàn bộ phần sơ cấp Khi T2 nhận được tín hiệu điều khiển, T2 mở thông

dòng id chạy qua T2 , điện áp trên C đặt cực tính ngược lên T1→ khoá T1 Tụ C sẽ

được nạp điện lại để sẵn sàng cho lần chuyển mạch tiếp theo khi T1 lại nhận được

tín hiệu điều khiển

ii) Nghịch Lưu Độc Lập Nguồn Dòng 3 Pha:

SCR

+ C1

1uF L1 1uH

Giả sử trạng thái đầu T1,T6 mở trong khoảng 0 < t < ð/3, dòng Id chạy từ nguồn qua T1 →ZA→ZC→T6→ về cực âm của nguồn E → ia= id, ic= -id, ib= 0

Tại t = ð/3 cho xung điều khiển mở T2 → điện áp trên tụ điện C1 trở thành điện áp ngược đặt lên T1 →khoá T1 → ia giảm về 0→ id từ cực (+) của E

→T2→ZB→ZC→T6→ cực (-) của nguồn E → ib= id , ia = 0, ic= -id

Trên sơ đồ mạch mỗi SCR được điều khiển để dẫn dòng trong khoảng 120

độ, mỗi scr cách nhau 60 độ.Các tụ C1, C2, C3 mắc song song vớiphụ tải đóng vai trò là các tụ chuyển mạch Về nguyên lý hoạt động và các tham số cơ bản của sơ

đồ cũng giống như ở sơ đồ cầu một pha

Ưu điểm cơ bản của nghịch lưu dòng song song là có khả năng trao đổi công suất phản kháng với nguồn lưới xoay chiều nếu như đầu vào một chiều là một chỉnh lưu có điều khiển với mạch vòng dòng điện Do đó các sơ đồ này có nhiều ứng dụng trong các hệ thống truyền động không đồng bộ

ZA ZB

ZC E

+

_

id

iii) Nghịch Lưu Độc Lập Nguồn Ap 1 Pha:

+

_

Sơ đồ gồm bốn SCR điều khiển T1→T4 và các diode mắc ngược D1→D4 Các diode là các phần tử bắt buộc trong các sơ đồ nghịch lưu áp giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải với nguồn Đầu vào là nguồn áp một chiều

E Tụ C có vai trò là tụ lọc sao bằng điện áp trong trường hợp E là một nguồn chỉnh lưu vừa có vai trò chứa công suất phản kháng trao đổi với tải qua các diode ngược

Các SCR trong sơ đồ được điều khiển mở trong mỗi nửa chu kì theo từ cặp T1 với T2, T3 với T4 kết quả điện áp ra sẽ có dạng xoay chiều xung chữ nhật với biên độ bằng điện áp nguồn đầu vào, không phụ thuộc phụ tải

iv) Nghịch Lưu Độc Lập Nguồn Ap 3 Pha:

Để tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha có cùng biên độ nhưng lệch pha nhau một góc 120 độ, các SCR được điều khiển theo thứ tự, mỗi SCR sẽ dẫn cách nhau 60 độ

1.2.2.3 NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG:

i) Nghịch Lưu Cộng Hưởng Song Song:

Nghịch lưu cộng hưởng là các bộ biến đổi đặc biệt thường dùng SCR Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là có phụ tải là 1 mạch vòng dao động với dòng hoặc áp có dạng hình sin, do đó các SCR trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên

L

L C

R

E +

_

Mạch nghịch lưu cộng hưởng song song có sơ đồ giống như nghịch lưu độc lập nguồn dòng song song chỉ khác ở phụ tải là tải trở cảm với hệ số công suất thấp Tụ C song song phu tải và phải tạo với tải mạch dòng dao động song song Điện cảm đầu vào L có giá trị lớn nên đầu vào có thể coi là nguồn dòng Khi đó điện áp ra uc có dạng hình sin

ii) Nghịch Lưu Cộng Hưởng Nguồn Ap:

Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp có mạch phụ tải là mạch dao động nối tiếp R-L-C , nguồn một chiều đầu vào là nguồn áp

1.2.B BỘ NGHỊCH LƯU

1.2.B.1 KHÁI NIỆM CHUNG

• Thiết bị nghịch lưu đổi điện một chiều ra điện xoay chiều Ở phần chỉnh lưu có điều chỉnh ta đã nói rằng các sơ đồ có điện áp ra cho bởi công thức '

cos

V =V α làm việc đổi điện một chiều ra điện xoay chiều khi góc kích thyristor ở trong khoảng từ 2

π

đến π, là trường hợp gặp khi động cơ điện một chiều được cấp điện bởi thiết bị nghịch lưu có các sơ đồ 100% dùng thyristor, động cơ được hãm tái sinh, tức là làm việc như máy phát điện một chiều trả điện năng về lưới điện xoay chiều qua thiết bị chỉnh lưu 100% thyristor với góc kích

2

π

α > Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghịch lưu phụ thuộc vào vệc chuyển mạch các thyristor hoàn toàn lệ thuộc vào điện xoay chiều có sẵn ở lưới điện

• Thiết bị chúng ta nói ở đây đổi điện một chiều ra điện xoay chiều trong đó việc chuyển mạch giữa các linh kiện đóng ngắt được thực hiện một cách độc lập, không lệ thuộc bất cứ nguồn điện xoay chiều sẵn có nào Do vậy thiết bị được gọi là thiết bị nghịch lưu độc lập

Có các loại thiết bị nghịch lưu sau đây:

• Thiết bị đổi điện từ bình ăcquy 12, 24 hoặc 48V ra điện xoay chiều tân số 50 Hz điện

áp 220V dùng để cấp điện dự phòng khi mất điện lưới, dùng cấp nguồn cho các thiết

bị như tivi, ampli, đầu máy trên xe du lịch

• Thiết bị đổi điện một chiều ra điện xoay chiều cấp cho phụ tải cộng hưởng tần số và điện áp có thể thay đổi cho bằng tần số cộng hưởng của phụ tải phù hợp với tình trạng phụ tải như lò nấu thép trung tần Đó là thiết bị nghịch lưu cộng hưởng cao tần

• Thiết bị đổi điện một chiều ra điện xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi được để cấp điện cho động cơ không đồng bộ hay đồng bộ 3 pha Điện 1 chiều được cấp từ lưới điện xoay chiều 220V, 50 Hz qua bộ chỉnh lưu để có điện xoay chiều tần số thay đổi được từ 1 đến 400 Hz, điện áp thay đổi theo yêu cầu của động cơ có tốc độ thay đổi vô cấp

• Linh kiện đóng ngắt dùng trong thiết bị nghịch lưu là transistor lưỡng cực, transistor trường hoặc transistor lưỡng cực kết hợp với transistor trường làm việc ở chế độ điều biến độ rộng xung nếu cần điện có dạng gần sine Linh kiện phải làm việc đóng ngắt điều biến độ rộng xung để tăng hiệu suất và công suất thiết bị

• Có nhiều sơ đồ làm việc nghịch lưu có bản Ta sẽ lần lượt nói đến theo thứ tự thuận lợi cho việc tìm hiểu nguyên lý thiết bị

1.2.B.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

• Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Trong các

trường hợp khảo sát dưới đây ta xét bộ nghịch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện

• Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng

phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

• Linh kiện trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó,

tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thể sử

dụng transistor BJT, MOSFET IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể

sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

• Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc nối đối song với nó Các

diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn

điện ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu

diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một

chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công

tắc

1.2.B.3 SƠ ĐỒ CẦU BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

* Sơ Đồ

- Ta đã biết tác dụng của diode thu hồi năng lượng đối với linh kiện đóng ngắt Do đó

ta nghiên cứu ngay sơ đồ cầu dùng linh kiện bán dẫn

T1' 3 2

D2'

T2

3

2 1

Vr

• Các transistor T và 1 T luân phiên nhau dẫn điện với 1' T và 2 T , mỗi đôi dẫn trong một 2'

T không dẫn, dòng từ cực dương nguồn Vv

qua T2, qua phụ tải từ A đến B, qua '

• Đôi transistor T và 2 T ngưng dẫn, dòng từ cực dương nguồn V1' v qua T1, qua phụ tải

từ B đến A, qua T về cực âm nguồn V2' v.

Vr = - Vv , Vr = Vv

• Điện áp ra cũng có dạng chữ nhật như sơ đồ nửa cầu Dòng trong các trường hợp phụ tải cũng giống như sơ đồ trước

o Ưu điểm: sơ đồ cầu dẫn điện trực tiếp vào phụ tải không qua bộ biến áp, vì

vậy có hiệu suất cao và chỉ cần có một nguồn điện một chiều

o Nhược điểm: Vra = Vv do đó không sử dụng được khi Vv khôngthích hợp với phụ tải hơn nữa phải cần tới 4 linh kiện ngắt dẫn gây sụt áp có tác dụng không tốt khi Vv thấp

1.2.B.4 SƠ ĐỒ ĐẨY KÉO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

* Sơ đồ đẩy kéo

T1 và T2 luân phiên dẫn điện trong mỗi chu kỳ

Bán kỳ đầu:

• T1 dẫn, T2 không dẫn, dòng vào cuộn n1 trên từ đầu có chấm đến đầu không chấm 1min

2 trị âm không đổi

• Điện áp ra có dạng chữ nhật như hình vẽ Để tính điện áp ra ta có:

= 2 φ,d φ =φmax −φmin =2φmax

dt

d w

T

dt

Vậy w f

T w

w

w T V w

w T

V w

w T dt V T

V

1 2 2

1 2 2

1 2 0

2

22

11

V w

w V

r

v r

max 2 max

2 1 2

Ưu điểm sơ đồ đẩy kéo:

- Dùng 1 nguồn điện một chiều Vv

- Phải dùng máy biến áp hiệu suất không cao

- Rất nguy hiểm khi làm việc không tải Do vậy sơ đồ thường được dùng để đổi điện xoay chiều 220V, 50 Hz từ bình acquy 12, 24 hay 48V Nếu sử dụng 2 hay 3 đôi transistor với 2 hay 3 đôi cuộn sơ cấp với các đôi transistor làm việc trễ pha nhau một góc nhất định Ta có thể điện áp ra bằng cách thay đổi góc lệch pha

1.2.B.5 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP NGHỊCH LƯU 1 PHA

• Nhiều phụ tải như động cơ không đồng bộ, máy biến áp yêu cầu điện áp dạng sin

mà các sơ đồ đã nói qua chỉ cho ra điện dạng chữ nhật

• Ta không thể dùng transistor làm việc ở vùng tuyến tính như mạch khuếch đại hay dùng mạch khuếch đại tuyến tính để phát điện áp dạng sine vì phương pháp này dẫn đến hiệu suất thấp đến mức không chấp nhận được công suất ra của thiết bị hạn chế rất nhiều

• Để có điện áp ra có dạng gần sine các linh kiện đóng ngắt làm việc điều chế độ rộng xung mỗi bán kỳ làm việc cần chọn 1 số xung lẻ để các xung đối xứng với tâm mỗi bán kỳ Điều này có tác dụng tạo ra điện áp dạng hàm lẻ, như vậy sẽ không còn sóng hài chẵn trong chuỗi Forier Độ rộng xung biến thiên theo hàm sine như trường hợp ví dụ sau đây:

• Mỗi bán kỳ có số xung lẻ là 5, các xung đối xứng với đường thẳng đứng qua

, như vậy Vr không còn sóng hài chẵn

• Kỹ thuật điều chế xung không những cho điện áp ra Vr có dạng gần sine nhất mà còn thay đổi được điện áp ra, tần số điện áp ra cho phù hợp với phụ tải

• Khi điều chỉnh tần số điện áp ra, tần số xung điều khiển cũng phải thay đổi để có điều kiện mỗi bán kỳ phải có số xung lẻ đối xứng qua trục các điểm giữa bán kỳ như ví dụ trên

• Nếu dùng sơ đồ cầu điều chế độ rộng xung thì hình vẽ sau đây cho thấy quan hệ giữa điện áp ra Vr với chế độ làm việc của các transistor ngắt dẫn trong sơ đồ cầu

I liên tục vào cực khiển

o Các xung điều khiển phải đối xứng qua trục giữa bán kỳ để không còn sóng hài chẵn ( hàm lẻ )

T 1 và T 1 ’ điều chế độ rộng xung T 2 và T 2 ’ điều chế độ rộng xung

1.2.B.5.1 ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RỘNG ĐƠN XUNG

Điều khiển góc lệch pha β giữa 2 nửa cầu nghịch lưu

1.2.B.5.2 ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RỘNG ĐA XUNG

Để không còn thành phần hài chẵn ở điện áp ra ta chọn số xung lẻ trong mỗi nửa chu

kỳ để các xung đối xứng với nhau qua trục thẳng đứng cắt giữa mỗi bán kỳ như hình vẽ sau đây:

Các xung có bề rộng bằng nhau Muốn tăng hay giảm điện áp ra ta thay đổi bề rộng của tất cả các xung Lưu ý đây là phương pháp điều chỉnh điện áp hiệu dụng Vr , khác với phương pháp điều chế bề rộng xung theo hàm sin nói ở phần trước

Qua việc xử lý bằng phương pháp thay đổi bề rộng xung đơn hay nhiều xung người ta chỉ thay đổi điện áp hiệu dụng ra Điện áp ra có dạng xung, trị trung bình điện áp dạng xung vẫn biến thiên theo đường biểu diễn dạng chữ nhật

1.2.B.6 BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

* Sơ đồ nghịch lưu 3 pha

Để có điện 3 pha ta dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và diode thu hồi năng lượng như sau:

Ta có thể dùng 3 cầu nghịch lưu 1 pha để có điện 3 pha theo sơ đồ sau:

Ba pha phải mắc riêng rẽ, không được mắc thành hình sao hay hình tam giác

- Điện áp 3 pha lệch pha nhau 120 độ Việc điều khiển cầu 1 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

Điều chỉnh điện áp nghịch lưu ba pha

Phương pháp điều khiển đơn giản nhất là điều khiển cho mổi linh kiện đóng ngắt dẫn

o

180 và không dẫn 1800 trong mỗi chu kì làm việc sáu linh kiện T1; T2; T3 nối với cực dương của Vr và T’1; T’2 ; T’3 nối với cực âm luân phiên nhau dẫn điện theo thứ tự chuyển mạch tự nhiên trong cầu 3 pha như hình dưới:

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

Vv

3 2 1

3 2 1

3 2 1

3 2 1

Phương pháp điều khiển 6 bước thường được áp dụng để cấp điện động cơ không đồng

bộ 3 pha Tuy nhiên phương pháp yêu cầu có nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện

áp

1.2.B.7 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG

- Bộ nghịch lưu có dòng một chiều là nguồn điện Bộ nghịch lưu dòng được sử dụng trong lĩng vực truyền động động cơ điện xoay chiều và cho lò cảm ứng

- Tương tự như bộ nghịch lưu áp, ta phân biệt bộ nghịch lưu dòng với quá trình xhuyển mạch cưỡng bức và bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch tự nhiên (phụ thuộc)

- Bộ ngfhịch lưu dòng có quá trình chuyển mạch cưỡng bức được áp dụng cho tải tổng quát Trong trường hợp tải mang tính dung kháng, bộ nghịch lưu có thể sử dụng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc và sử dụng linh kiện bán dẫn như thyristor

T2' 3 2 1

T3 3 2 1

T3' 3 2 1

Hình 6.10

Trong trường hợp tải tổng quát (R,RL,RLξ), linh kiện phải có khả năng điều khiển ngắt dòng điện Có thể sử dụng IGBT mắc nối tiếp với diode cao áp hoặc sử dụng linh kiện công suất GTO

Giả sử dòng đang dẫn qua S1,D1,S2,D2 và tải, dòng điện tải it = I Để đảo chiều dòng điện tải, xung kích đóng đưa vào S1, S2 và kích ngắt S3, S4 Dòng qua tải giảm nhanh về 0 và đảo chiều it = I

- Do tải mang tính cảm kháng, sự đảo chiều nhanh của dòng điện gây ra quá điện áp đặt lên các công tắc Nếu tải có độ tự cảm L nhỏ, mạch mắc nối tiếp công tắc với diode chịu được điện áp cao; nếu tải có L lớn, cần phải thay đổi cấu hình bộ nghịch lưu dòng Chẳng hạn mắc tụ song song với tải (H6.11b) hoặc dùng mạch tích năng lượng (H.6.11c) Tác dụng của các mạch phụ này làm dòng tải trong quá trình đổi dấu không thay đổi đột ngột và do đó không gây ra quá áp phản kháng Cấu trúc dùng tụ xoay chiều mắc rẽ

Hình 6.11

nhánh với tải có thể làm xuất hiện dao động dòng điện và điện áp do tương tác của tụ điện với cảm kháng của tải

- Tụ điện được tính toán sao cho biên độ thành phần cơ bản dòng điện dẫn qua tụ có giá trị không lớn và độ dao động điện áp do các dòng hài bậc cao trên tải nằm trong phạm

vi cho phép

- Cấu trúc dùng mạch tích năng lượng có khả năng khắc phục nhược điểm trên Tuy nhiên, hệ thống mạch công suất trở nên phức tạp hơn do sự sử dụng mạch chỉnh lưu cầu diode và phía mạch DC của nó phải có phần tử có khả năng dự trữ năng lượng Mỗi lần dòng điện tải đổi chiều, mạch DC được nạp năng lượng bởi dòng tải Phần tử tích điện có thể là tụ điện, để điện áp tụ không tăng, ta cần thực hiện điều khiển xả năng lượng tụ hoặc điều khiển năng lượng tụ trả về lưới điện xoay chiều qua mạch bán dẫn công suất (ví dụ điều khiển bộ chỉnh lưu ở chế độ nghịch lưu) Mặt khác, tác dụng mạch tính năng lượng làm dòng điện thực tế qua tải bị lệch pha so với dòng điện lý tưởng yêu cầu (so sánh quá trình dòng ia và it1)

- Tương tự trường hợp bộ nghịch lưu dòng một pha, cấu tạo của các bộ nghịch lưu dòng ba pha có thể gồm các dạng: mạch chứa diode cao áp bảo vệ, mạch chứa tụ chuyển mạch và mạch chứa tụ tích năng lượng Khi tải có công suất lớn, có thể sử dụng bộ nghịch lưu dòng với linh kiện thyristor và mạch tắt cưỡng bức (xem H.6.13)

- Các ưu nhược điểm của các cấu trúc mạch này đã được nêu trong phần bộ nghịch lưu dòng một pha Đồ thị quá trình điện áp và dòng điện các phần tử mạch cũng được minh hoạ trên hình vẽ cạnh sơ đồ tương ứng

- Đối với bộ nghịch lưu dòng điện ba pha Tại mỗi thời điểm có một công tắc ở nhánh trên dẫn và mộ công tắc ở nhánh dưới dẫn Mỗi công tắc điện trong thời gian một phần ba chu kỳ Bỏ qua thời gian chuyển mạch giữa các nhánh, đồ thị dòng điện qua tải được vẽ trên H.6.16 cho trường hợp điều khiển sáu bước Dòng điện qua tải có dạng không sin

* Các Phương Pháp Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu Dòng:

Gỉa thiết rằng giá trị trạng thái van bán dẫn khi đóng bằng “1” và khi ngắt bằng “0” Qui luật điều khiển của bộ nghịch lưu dòng là phải đảm bảo điều kiện kích đóng duy nhất (qui luật duy nhất trong nhóm):

Hình 6.14

S1 + S3 + S5 = 1 và S2 + S4 + S6 = 1

Điều này có nghĩa, tại mỗi điểm chỉ có một van ở nhóm trên và một van ở nhóm dưới được kích đóng

* Phương pháp điều khiển theo biên độ:

Đây là phương pháp điều khiển chủ yếu áp dụng cho bộ nghịch lưu dòng Độ lớn dòng điện tải được điều khiển bằng cách điều khiển nguồn dòng điện Chẳng hạn điều khiển góc kích α của bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc điều khiển tỉ số thời gian γ khi có nguồn

DC điều khiển bằng bộ biến đổi điện áp một chiều

Giản đồ xung kích được vẽ trên H.6.16a

Tần số dòng điện tải được điều khiển bởi giản đồ kích cho bộ nghịch lưu dòng Góc kích đóng cho mỗi công tắc trong bộ nghịch lưu dòng điện như nhau và bằng 2π/3 với m là số pha của bộ nghịch lưu

Ví dụ, đối với bộ nghịch lưu dòng ba pha, xung kích đóng cho các công tắc nhóm trên lần

lượt thực hiện gửi đến các linh kiện S1, S3 và S5 với độ rộng bằng 2π/3 Tương tự cho các

linh kiện nhóm dưới Bộ nghịch lưu dòng ba pha với phương pháp điều biên được gọi là

bộ nghịch lưu dòng điều khiển sáu bước (six step current inverter)

Bằng cách dùng phân tích Fourier dạng dòng điện qua pha tải Ví dụ, i t1 (đấu dạng Y), ta thu được hệt thức sau – xem đồ thị dòng pha it1 (H.5.52):

* Phương pháp điều chế độ rộng xung:

Qúa trình chuyển mạch giữa các nhánh công tắc trong bộ nghịch lưu dòng tạo nên các xung gai quá điện áp tác dụng không tốt đến hoạt động của các phần tử trong mạch điện

Độ lớn các gai điện áp có thể giảm bớt bằng cách kéo dài thời gian chuyển mạch Thông thường chức năng này thực hiện được nhớ tụ điện chứa trong mạch Để các xung gai quá điện giảm càng nhiều, tụ càng lớn và thời gian chuyển mạch càng kéo dài Do đó, tần số đóng ngắt của các công tắc không thể cao được

Hình 6.17