GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN Chỉnh lưu pha, ba pha không điều khiển, trình bày chương trước, không cho phép điều khiển điện biến đổi từ xoay chiều (ac) thành chiều (dc) Khả biến đổi điện thực nhờ sử dụng thyristor công suất mạch chỉnh lưu Chương đề cấp đến hai loại chỉnh lưu điều khiển là: chỉnh lưu pha điều khiển chỉnh lưu ba pha điều khiển Cả hai dạng chỉnh lưu điều khiển áp dụng phần lớn thiết bị điện 3.1 Chỉnh lưu pha điều khiển Chỉnh lưu pha điều khiển ngày phạm vi ứng dụng rộng lớn Như hình 3-1, chỉnh lưu pha điều khiển phân chia thành hai nhóm lớn: (i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, biết với tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch (ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, gọi điều chỉnh hệ số công suất (power factor corrector - PFC) Thời gian gần đây, xuất nhiều quan tâm đến việc kiểm soát sóng hài bậc cao phía dòng điện xoay chiều cấp cho chỉnh lưu Đây nguyên nhân chủ yếu cho phát triển hệ thống điều chỉnh hệ số công suất (PFC) Những sơ đồ mạch sử dụng transistor công suất, làm việc với tần số cao để cải thiện chất lượng dạng sóng dòng điện xoay chiều, từ nâng cáo hệ số công suất Chỉnh lưu hệ số công suấ cao chia thành loại tái tạo không tái tạo Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu pha điều khiển Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển 3.1.1 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch 3.1.1.1 Chỉnh lưu pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển sử dụng thyristor để điều chỉnh điện áp cấp cho tải trình bày hình 3-2 Hình 3-2: Chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển Thyristor dẫn điện áp vAK dương có xung dòng điện iG đặt vào cực điều khiển Điều chỉnh giá trị điện áp đầu cấp cho tải thực cách thay đổi góc điều khiển α xung dòng iG Góc điều khiển α tính từ thời điểm có điện áp vAK > (chuyển mạch tự nhiên) Trong trường hợp hình 3-2, góc α tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs Cùng hình thấy dạng sóng dòng điện id hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, điện áp tải dòng điện đạt giá trị âm Điện áp đầu tính theo biểu thức: v d  V  Vm sin x.dx  m (1  cos )  2  2 (3-1) Trong Vm – biên độ điện áp nguồn xoay chiều Trong hình 3-3a, vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải R-L dạng sóng điện áp (a) GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng (b) Hình 3-3: Chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải a) tải thụ động RL b) tải có nguồn Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi điện cảm: v L  vs  v R  L did dt (3-2) Trong vR – điện áp rơi điện trở, vR  R.id Nếu vs – vR > 0, từ công thức 3-2 thấy dòng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm vs – vR < Dòng điện xác định theo: i d (t )  t v dx L  L (3-3) Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta thấy dòng điện id = diện tích phần A1 A2 (vs = vR) điều cho thấy thyristor dẫn điện vs < (do có điện áp L) Khi tải gồm điện cảm nguồn áp (điện cảm tích cực) nối với chỉnh lưu, trình bày hình 3-3b Thyristor mở có xung dòng iG vào cực điều khiển vs > Ed Tương tự trương hợp R-L, Thyristor giữ nguyên trạng thái dẫn A1 = A2 Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp tải vd = Ed 3.1.1.2 Chỉnh lưu hai pha nửa sóng Sơ đồ hình 2-13, sử dụng điểm cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 v2 Các điện áp lệch pha 180o, nhận điểm làm điểm trung tính Dòng điện qua thyristor T1 T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 v2 dương, khép mạch qua tải trở điểm trung tính GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R Như sơ đồ hình 3-4, Thyristor T1 bật toàn thời gian v1 > 0, xung điều khiển trễ góc α định thời điểm bật T1 Trạng thái bật Thyristor thể đồ thị hình 3-4 Các van tiếp tục dẫn chu kỳ điện áp ngược xuất van Giá trị điện áp tải tính theo biểu thức vdi  1 V Vm sin x.dx  m (1  cos )    (3-4) Dòng điện xoay chiều is iT1(N2/N1) T1 dẫn iT2(N2/N1) T2 dẫn, N2/N1 tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp sơ cấp Ảnh hưởng hệ số thời gian tải liên tục TL = L / R với tải bình thường  độ gợn sóng id ( t ) / i R ( t ) / i R góc mở α = 0o thể hình 3-5 Độ gợn sóng dòng tải giảm hệ số thời gian tải liên tục tăng, L → ∞, dòng điện lọc phẳng hoàn toàn Hình 3-5: Ảnh hưởng số thời gian tải liên tục GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 3.1.1.3 Chỉnh lưu cầu pha Điều khiển chỉnh lưu cầu pha có hai phương án: điều khiển sử dụng Thyristor (hình 3-6a) bán điều khiển (điều khiển phần) sử dụng Thyristor Diode (hình 3-6b) (b) (a) Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu pha a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp dòng điện chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R vẽ hình 3-6a Các van T1 T2 phải mở đồng thời nửa sóng dương điện áp vs, dẫn dòng Tương tự, van T 3, T4 mở đồng thời nửa sóng điện áp nguồn âm Để đảm bảo tính đồng thời bật van T1 T2 người ta dùng chung dòng kích mở Điện áp tải tương tự với trương hợp hai pha nửa sóng xét Dòng điện xoay chiều: is  iT1  iT (3-5) Với dạng sóng vẽ hình 3-7 Hình 3-8 trình bày dạng sóng dòng áp trường hợp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải điện trở điện cảm (L → ∞) Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hoàn toàn dòng điện chỉnh lưu tải dòng điện xuay chiều nguồn vào Do dòng điện tải liên tục, Thyristor T 1, T2 giữ nguyên trạng thái mở nửa chu kỳ dương điện áp nguồn vs qua Do nguyên nhân này, điện áp tải vd có giá trị tức thời âm Việc bật Thyristor T 3, T4 mang lại kết quả: Tắt van T 1, T2; sau chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vuông hình 3-8, điều kiện dòng điện liên tục Trường hợp điện áp trung bình tải: vdi   2V   Vm sin x.dx  m cos    (3-6) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-7: Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R Hình 3-8: Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R-L (L→∞) 3.1.1.4 Phân tích dòng điện nguồn xoay chiều Xét trường hợp mạch lọc điện cảm có trị số cao chỉnh lưu cầu pha điều khiển, dòng điện nguồn xoay chiều bị lọc trở thành dạng xung vuông Ngoài dòng điện is bị lệch pha so với điện áp vs góc α, góc kích mở van công GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng suất Dòng điện nguồn xoay chiều biểu diễn theo phân tích Fourier, giá trị bậc hài xác định: Is max(n )  Id  n (3-7) (n = 1, 3, 5, …) Trị hiệu dùng thành phần hài bậc n: Is ( n )  Is max(n )  2 Id  n (3-8) Như trị hiệu dụng thành phần bản: Is (1)  2  Id  0,9Id (3-9) Trên hình 3-9a, ta thấy góc lệch pha thành phần φ1 góc kích mở α hình 3-9b phổ thành phần sóng hài thành phần bậc lẻ suy giảm biên độ tần số tăng (a) (b) Hình 3-9: Dòng điện nguồn xoay chiều chỉnh lưu cầu pha có điều khiển (a) dạng sóng (b) phổ thành phần sóng hài Trị hiệu dụng dòng điện nguồn xoay chiều: Is  I d (3-10) Độ méo dạng tổng (THD): Is2  Is21 THD  100  48,4% Is (3-11) 3.1.1.5 Hệ số công suất chỉnh lưu Từ đồ thị hình 2-18a, góc lệch pha dòng áp thành phần góc kích mở van công suất (φ1 = α) cos1  cos (3-12) Công suất tác dụng dòng điện không sin, cấp từ nguồn sin pha: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 1T P   vs ( t )is ( t )dt  Vs Is1 cos1 To (3-13) Công suất biểu kiến S  Vs Is (3-14) Hệ số công suất PF PF  P S (3-15) Nếu thay biểu thức 3-12, 3-13, 3-14 biểu thức 3-15, ta PF  Is1 cos Is (3-16) Biểu thức cho thấy, với dòng điện nguồn xoay chiều không sin, hệ số công suất chỉnh lưu chịu tác động xấu góc mở α độ biến dạng méo dòng điện nguồn Kết độ biến dạng dòng điện nguồn tăng lên làm tăng trị hiệu dụng Is theo 3-16, giảm hệ số công suất 3.1.1.6 Quá trình chuyển mạch Thyristor Cho tới trình chuyển mạch Thyristor xem diễn tức thời Tuy nhiên điều lại không xảy thực tế tính chất điện cảm mạch nguồn hình 3-10a Trong trình chuyển mạch, dòng điện qua Thyristor không đổi lập tức, tồn góc chuyển mạch μ mà thyristor đồng thời dẫn Vì trình chuyển mạch hệ tượng đồng dẫn làm cho điện áp tải vd    t     (3-17) Do ảnh hưởng trình chuyển mạch, dạng sóng dòng, áp nguồn, dòng tải có dạng hình 3-10b GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Hình 3-10: Quá trình chuyển mạch a) sơ đồ b) dạng sóng Trong trình chuyển mạch, điện áp biểu diễn theo biểu thức L dis  vs  Vm sin t dt với   t     (3-18) Lấy tích phân hai vế thời gian chuyển mạch, ta có: Id Vm di   s L I d (   ) /   sin tdt (3-19)  / Giải phương trình tìm giá trị μ cos(   )  cos  2L Id Vm (3-20) Biểu thức 3-20 cho thấy tăng điện cảm nguồn tăng dòng điện tải dẫn đến tăng góc chuyển mạch μ Ngoài ra, góc chuyển mạch bị ảnh hưởng từ góc kích mở thyristor, biểu thức 3-18 cho thấy với góc kích mở khác điện áp nguồn có giá trị tức thời khác làm cho dis/dt có giá trị khác dẫn đến thay đổi thời gian chuyển mạch Biểu thức 3-17 dạng sóng hình 3-10b cho thấy trình chuyển mạch làm giảm điện áp trung bình tải Vdα Nếu kể đến chuyển mạch, biểu thức điện áp tải tính theo biểu thức Vd    V  sin(t )d(t )  m cos(   )  cos      Thay 3-20 vào 3-21 Vd   Vm cos  2L  Id (3-22) (3-21) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển 3.1.1.7 Chế độ nghịch lưu Khi góc kích mở α > 90o, điện áp trung bình tải đạt giá trị âm Trường hợp công suất truyền ngược từ tải sang nguồn xoay chiều Chế độ làm việc gọi chế độ nghịch lưu, lượng truyền từ phía chiều (dc) sang phía xoay chiều (ac) Trong thực tế, chế độ gặp mạch mà tải bố trí hình 3-11a Cần lưu ý chỉnh lưu cho phép dòng điện theo chiều Trong hình 3-11b dạng sóng điện áp tải chế độ nghịch lưu bỏ qua điện cảm nguồn L Phần trước giải thích rõ ràng ảnh hưởng điện cảm nguồn L làm tăng thời gian chuyển mạch μ Như hình 3-11c, điện áp thyristor vT1 có giá trị âm khoảng γ, xác định theo biểu thức:   180  (   ) (3-23) Để đảm bảo thyristor đóng phục hồi hoàn toàn tính ngược sau chuyển mạch, góc γ phải thỏa mãn biểu thức:   .t q (3-24) Trong ω – tần số nguồn điện tq – thời gian đóng thyristor Nếu   .t q , thyristor chưa đóng hoàn toàn đặt điện áp thuận dẫn Từ góc kích mở lớn áp dụng:  max 180     (3-25) Nếu điều kiện biểu thức 3-25 không đáp ứng, trình chuyển mạch không hoàn thành tạo nên dòng điện phá hủy mạch chỉnh lưu Hình 3-11: Chỉnh lưu chế độ Inverter a) sơ đồ mạch b) dạng sóng bỏ qua điện cảm c) dạng sóng có tính tới điện cảm L Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-64: Dạng sóng dòng điện cầu điện cảm: (a) điện áp biến đổi dương; (b) điện áp   biến đổi âm (c) chênh lệch điện áp vr v D v D , dòng điện ir Để tránh dòng điện ir, áp dụng cách thức ngưng dòng cầu điện cảm ngừng cấp điện cho biến đổi vài mili giây Các biến đổi cấu không cấp điện giữ trạng thái khóa dòng điện chiều ngược lại xuất 3.2.2 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch cưỡng 3.2.2.1 Sơ đồ khối tính chất Chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng cấu trúc từ linh kiện bán dẫn công suất dạng đóng/mở cực điều khiển (gate – turn – off - GTO) GTO cho phép thực điều khiển hoàn toàn biến đổi, van công suất bật/tắt cần thiết Đối với thyristor, bật/tắt thực lần chu kỳ nguồn, GTO thực bật/tắt hàng trăm lần chu kỳ nguồn Cách thực chuyển mạch có số ưu điểm: (a) dòng điện điện áp có dạng sóng theo PWM định trước, giảm lượng sóng hài bậc cao; (b) có khả nâng cao hệ số công suất chí đạt giá trị cao; (c) làm thành chỉnh lưu điều khiển ổn định điện áp điều khiển ổn định dòng điện; (d) công suất ngược (nghịch lưu) chỉnh lưu thyristor cách đổi chiều điện áp dc liên kết ngược Đối với chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng bức, thực dòng điện điện áp dc ngược Thực tế có cách để áp dụng chuyển mạch cưỡng chỉnh lưu ba pha: (a) chỉnh lưu ổn định dòng (nguồn dòng), công suất ngược thực nhờ đảo chiều Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển điện áp; (b) chỉnh lưu ổn định áp (nguồn áp), công suất ngược thực nhờ dảo chiều dòng điện Hình 3-65 trình bày sơ đồ khối nguyên lý hai loại Hình 3-65: Chuyển mạch cưỡng bức: a) chỉnh lưu ổn định dòng (nguồn dòng) b) chỉnh lưu ổn định áp (nguồn áp) 3.2.2.2 Nguyên lý chỉnh lưu ổn định điện áp Chỉnh lưu ổn định điện áp sử dụng phổ biến, áp dụng hai sơ đồ hình 3-65 Chỉnh lưu ổn định điện áp hoạt động dựa liên kết điện áp chiều với giá trị mong muốn (ổn định) sử dụng vòng điều khiển hồi tiếp hình 3-66 Để thực nhiệm vụ đó, liên kết điện áp đo so sánh với giá trị cần ổn định VREF Sai số thiết bị so sánh phát dùng điều khiển van công suất bật tắt Như vậy, công suất truyền sang phía nguồn xoay chiều (ac) theo yêu cầu điện áp chiều (dc) đo tụ CD Khi dòng điện ID có giá trị dương (chế độ chỉnh lưu), tụ điện CD xả, tín hiệu sai lệch điện áp tác động tới khối điều khiển tăng truyền công suất từ phía nguồn xoay chiều, khối điều khiển tạo tín hiệu PWM tương ứng cấp cho van công suất Với dòng điện lớn từ phía ac sang phía dc giúp phục hồi điện áp tụ điện Ở chiều ngược lại, dòng điện ID trở nên âm (chế độ nghịch lưu), tụ điện CD nạp điện tích tín hiệu sai lệch cấp cho khối điều khiển xả tụ truyền công suất sang phía xoay chiều Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-66: Nguyên lý chỉnh lưu ổn định điện áp Bộ điều khiển PWM không điều khiển luồng công suất tác dụng mà có tác dụng lên công suất phản kháng, chỉnh lưu loại có khả điều chỉnh hệ số công suất Hơn dạng sóng dòng điện xoay chiều có dạng gần sin, giảm sóng hài cho nguồn xoay chiều PWM bao gồm chuyển mạch van công suất ON OFF, theo chế độ định trước có dạng sóng sin dòng áp Ví dụ, điều chế pha hình 3-67 Điều chế độ rộng xung thực chất sóng chu kỳ có giá trị thành phần điện áp tần số với mẫu Biên độ thành phần gọi VMOD, hình 3-67 ta thấy tỉ lệ biên độ VMOD với mẫu Hình 3-67: Mẫu PWM giá trị VMOD Để chỉnh lưu làm việc tốt, PWM phải tạo sóng VMOD với tần số nguồn Thay đổi biên độ góc lệch pha so với nguồn xoay chiều, thiết bị chỉnh lưu điều khiển để hoạt động góc phần tư: chỉnh lưu tăng hệ số công suất, chỉnh lưu giảm hệ số công suất, nghịch lưu tăng hệ số công suất, nghịch lưu giảm hệ số công suất Bằng cách thay đổi mẫu PWM, hình 368, dẫn đến thay đổi độ lớn VMOD, dịch chuyển mẫu PWM tạo độ lệch pha Tương tác VMOD V (điện áp nguồn) thấy qua biểu đồ pha, hiểu biết đến chỉnh lưu có khả làm việc góc phần tư Trong hình 3-68, chế liệt kê: (a) chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất; (b) nghịch lưu điều chỉnh hệ số công suất; (c) điện dung (hệ số công suất không); (d) điện cảm (hệ số công suất không) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-68: Chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng chế độ làm việc góc phần tư: (a) Sơ đồ mạch; (b) chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất; (c) nghịch lưu điều chỉnh hệ số công suất; (d) điện dung (hệ số công suất không); (e) điện cảm (hệ số công suất không) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-69: Sơ đồ, dạng sóng dòng điện nguồn, van công suất, chiều hồi tiếp Trên hình 3-69, giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều nguồn is IS Dòng điện qua van bán dẫn hình 3-69, nửa chu kỳ dương, transistor TN, nối phía âm điện áp hồi tiếp, bật dòng điện chảy qua T N (iTN) Dòng điện quay trở lại nguồn qua van công suất khép vòng với pha khác, qua diode nối với cực âm điện áp hồi tiếp Dòng điện qua tải chiều (nghịch lưu) quay trở thông qua transistor phía cực dương điện áp hồi tiếp Khi transistor TN bị tắt, đường dòng điện bị ngắt dòng điện qua diode DP, nối với cực dương điện áp hồi tiếp Dòng điện gọi iDp hình 3-69, đến trực tiếp điện áp hồi tiếp giúp tạo nên dòng điện idc, nạp cho tụ CD cho phép chỉnh lưu truyền công suất sang phía dc Điện cảm LS quan trọng trình tạo điện áp cảm ứng cho phép mở dẫn diode DP Hoạt động tương tự diễn với nửa chu kỳ âm với TP DN (hình 3-64) Dưới chế độ nghịch lưu, dòng điện có lối khác qua transistor, chủ yếu từ tụ điện CD Còn chế độ chỉnh lưu, sơ đồ làm việc tăng áp chế độ nghịch lưu – chế độ buck Để kiểm soát hoàn toàn hoạt động chỉnh lưu, diode phải phân cực ngược với tất giá trị tức thời điện áp nguồn Nếu ngược lại, diode dẫn, chỉnh lưu PWM giống chỉnh lưu cầu diode Cách khóa diode đảm bảo điện áp dc hồi tiếp lớn biên độ điện áp riêng diode tạo Diode phân cực ngược, chúng dẫn hai transistor bật Điện áp VD, trì tụ điện, phải cao điện áp chỉnh lưu cầu diode thông thường Để có điều kiện này, chỉnh lưu phải có vòng điều khiển hình 3-66 3.2.2.3 Điều khiển điện áp DC hồi tiếp Điều khiển điện áp chiều hồi tiếp cần phải có vòng điều khiển hồi tiếp Như giải thích mục trước, điện áp VD so sánh với điện áp tham chiếu Vref (mong muốn) tín hiệu “e” có từ so sánh dùng để tạo mẫu dạng sóng Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Mẫu dạng sóng phải sóng sin có tần số với nguồn xoay chiều Mẫu dạng sóng xoay chiều dùng để điều chế độ rộng xung cho phép điều khiển chỉnh lưu theo hai chế độ khác nhau: (1) chỉnh lưu PWM điều khiển dòng (2) chỉnh lưu PWM điều khiển áp Phương pháp thứ điều khiển dòng điện nguồn, phương pháp thứ hai điều khiển độ lớn điện áp pha VMOD Điều khiển dòng phương pháp đơn giản so với điều khiển áp, nguyên nhân giải thích a Chỉnh lưu PWM điều khiển dòng Phương pháp điều khiển trình bày hình 3-70, cấu trúc điều khiển dựa đo giá trị tức thời dòng điện pha điều khiển theo dạng sóng sin theo mẫu tham chiếu I_ref, biên độ dòng tham chiếu Imax xác định từ phương trình Imax  G C e  G C (VREÈ  vD ) (3-79) Trong GC thể hình 3-70 điều khiển có dạng PI, P, Fuzzy khác Dạng sóng sin mẫu lấy cách nhân giá trị Imax với hàm sin có tần số với nguồn góc lệch pha mong muốn φ Sau sóng mẫu phải đồng hóa với nguồn xoay chiều Sau điều chế xung PWM phát xung tương ứng với sóng mẫu Hình 3-70: Sơ đồ chỉnh lưu PWM điện áp nguồn điều khiển dòng Nhưng có vấn đề phát sinh với chỉnh lưu chỗ vòng điều khiển hồi tiếp điện áp VC không ổn định Do thiết kế chỉnh lưu cần phải ý đến tính không ổn định Biểu diễn điện áp hồi tiếp điều khiển GC, sơ đồ điều khiển chỉnh lưu trình bày dạng sơ đồi khối hàm truyền hình GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng 3-70 Đây sơ đồ điều khiển hệ tuyến tính liên tục điểm làm việc ổn định, thiết lập thông qua giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn IS Hình 3-71: Vòng điều khiển chỉnh lưu biểu diễn hàm truyền Các khối G1(s) G2(s) hàm truyền điều khiển chỉnh lưu tụ điện hồi tiếp CD G1 (s)  P1 (s)  3(V cos  2R.IS  LS ISs) IS (s) (3-80) G (s)  VD (s)  P1 (s)  P2 (s) VD C D s (3-81) Trong ΔP1(s) ΔP2(s) – công suất đầu vào đầu chỉnh lưu biến đổi Laplace, V – điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều (điện áp pha), IS – dòng điện nguồn điều khiển theo sóng mẫu, LS – điện cảm lọc nguồn R – điện trở nguồn chỉnh lưu Theo tiêu chuẩn ổn định hệ thống giả thiết điều khiển PI, ta có quan hệ sau: IS  C D VD 3.K P L S (3-82) IS  K P V cos 2R.K P  LS K I (3-83) Hai biểu thức hữu dụng thiết kế chỉnh lưu điều khiển dòng Quan hệ giá trị tụ điện CD, điện áp dc VD, điện áp hiệu dụng nguồn, điện trở điện cảm lọc nguồn hệ số công suất với trị hiệu dụng dòng điện I S Với quan hệ đại ượng trên, hệ số tỉ lệ hệ số độ nhạy KP, KI (các khâu P, I) tính toán để đảm bảo làm việc ổn định chỉnh lưu Các biểu thức thiết lập giới hạn cho hoạt động chỉnh lưu dòng điện I S giá trị âm biểu thức Nếu giới hạn ổn định thỏa mãn, chỉnh lưu giữ cho điện áp chiều tụ giá trị Vref (bộ điều khiển PI) điều kiện tải truyền công suất từ phía ac sang phía dc Với chế độ nghịch lưu, công suất truyền theo hướng ngược lại GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Khi vấn đề ổn định giải quyết, mẫu sóng sin tạo, phương pháp điều chế độ rộng xung phải tạo chuỗi xung cấp cho van công suất Chuỗi xung đóng mở van công suất để có dạng dòng điện xoay chiều I_line theo dạng mẫu mong muốn I_ref Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung cho chỉnh lưu điều khiển dòng, sử dụng phổ biến phương pháp: lấy mẫu chu kỳ (periodical sampling - PS), khâu trễ pha (hysteresis band - HB), sóng xung tam giác (triangular carrier - TC) Phương pháp PS bật tắt van công suất chỉnh lưu chuyển đổi xung vuông có tần số cố định tần số lấy mẫu chu kỳ Mỗi chuyển đổi xung vuông có so sánh I_ref I_line từ có điều chỉnh Như hình 3-72a, cách thức điều khiển đơn giản: dùng so sánh D-type flip-flop cho pha Ưu điểm phương pháp thời gian nhỏ lần chuyển mạch van công suất giới hạn thời gian chu kỳ lấy mẫu Đặc điểm xác lập tần số chuyển mạch cực đại biến đổi, tần số trung bình không xác định rõ ràng Phương pháp HB bật tắt van công suất chỉnh lưu có sai số I_ref I_line vượt độ lớn định: trễ pha Sơ đồ hình 3-72b, cách điều khiển cần trễ pha cho pha Trường hợp này, tần số chuyển mạch xác định, giá trị lớn tính qua biểu thức sau: f Smax  VD 4h.L S (3-84) Trong đó: h – độ lớn khâu trễ Hình 3-72: Phương pháp điều chế độ rộng xung (a): lấy mẫu chu kỳ; (b): khâu trễ pha (c) dựa sóng xung tam giác GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng Phương pháp TC, hình 3-72c, so sánh sai số I_ref I_line với sóng tam giác có tần số cố định Sai số khuyêc đại qua khâu tích phân tỉ lệ (PI) trước so sánh với xung tam giác.Như thấy, sơ đồ điều khiển đầy đủ so với PS HB Các giá trị KP KI xác định đáp ứng sai số ổn định hệ thống, biểu thức giá trị đáp ứng đặc tính động với diều kiện khác L S C 2VD (3-85) K I  C K P (3-86) KP  Trong đó: LS – tổng trở kháng chỉnh lưu, ωc – tần số xung tam giác VD – điện áp hồi tiếp chỉnh lưu Đánh giá độ méo (do sóng hài) phương pháp điều khiển trên, có biểu thức: %Distorsion  100 I _ line  I _ ref 2 dt  I rms T T (3-87) Hình 3-73a dạng sóng dòng điện điều khiển ba phương pháp Ví dụ thực với tần số chuyển mạch khoảng 1,5kHz Phương pháp PS có chất lượng xấu bù lại có cách thực đơn giản Phương pháp HB TC với khâu điều khiển PI có chất lượng giống phương pháp TC với khâu tỉ lệ có độ dịch pha dòng điện nhỏ Và hình 3-73b cho thấy với tần số chuyển mạch cao chất lượng phương pháp gần nhau, với tần số lớn 6kHz, độ méo nhỏ cho phương pháp Hình 3-73: Dạng sóng phương pháp điều khiển với tần số 1,5kHz Ls = 15mH: (a) PS; (b) HB; (c) TC với PI (d) TC có P Độ méo theo tần số chuyển mạch b Chỉnh lưu PWM điều khiển áp Hình 3-74, trình bày pha hệ thống điều khiển điện áp nguồn chỉnh lưu điều khiển áp Sơ đồ đại diện cho mạch tương đương với yếu tố phía nguồn túy sin hồi tiếp chiều Nguyên tắc điều khiển tạo điện GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng áp mẫu VMOD, dựa theo biên độ góc pha so với điện áp nguồn V Bằng cách này, dòng điện nguồn điều khiển không thông qua việc đo đếm chúng Điện áp mẫu VMOD tạo nên dựa phương trình vi phân chỉnh lưu Phương trình vi phân có nguồn gốc từ sơ đồ 3-74 v( t )  L S dis  R.iS  v MOD ( t ) dt (3-88) Giả thiết v( t )  V sin t , lời giải phương trình vi phân i S(t) dùng tạo điện áp mẫu VMOD đảm bào chỉnh lưu làm việc với hệ số công suất định có dạng: iS (t )  Imax sin(t   ) (3-89) Kết hợp công thức 3-88, 3-89 điện áp nguồn hàm theo thời gian, ta xác định VMOD với biên độ góc pha dI   v MOD ( t )  V  XSI max sin   (RI max  LS max ) cos  sin t  dt   (3-90) dI max    XSI max cos  (RI max  LS ) sin   cost dt   Biểu thức 3-90 cho thấy mẫu điện áp VMOD kiểm soát giá trị thay đổi dòng điện nguồn Imax Sử dụng đạo hàm Imax 3-90 có ý nghĩa dòng điện I max thay đổi thay đổi tải Đại lượng XS 3-90 ωLS Biểu thức viết với hệ số công suất có nghĩa cosφ = sinφ = dI   v MOD ( t )  V  RI max  LS max  sin t  dt    XSI max cost (3-91) Hình 3-74: Sơ đồ pha chỉnh lưu điện áp nguồn điều khiển áp Với biểu thức cuối cùng, chỉnh lưu nguồn áp điều khiển PWM điện áp với hệ số công suất thực sơ đồ hình 3-75 Từ biểu thức 3-90 3-91 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng xây dựng mẫu điện áp VMOD thay đổi theo độ lớn góc pha để điều khiển hoàn toàn chỉnh lưu đạt hệ số công suất So sánh với sơ đồ khối điều khiển hình 3-65, chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển áp không cần phải lấy tín hiệu dòng điện nguồn Tuy nhiên để có tính ổn định tốt phương pháp điều khiển dòng, khối “–R–sLS” “–XS” hình 3-75 cần mô tái tạo xác giá trị R, XS LS nguồn xoay chiều Nhưng thông số không số, điều ảnh hưởng đến tính ổn định hệ thống hinh 12.43 Ở trạng thái ổn định, Imax số, biểu thức 3-91 viết dạng véc tơ, biểu thức 3-92     V MOD  V R IS  jX S IS (3-92) Hình 3-75: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển áp cho hệ số công suất Với điện áp mẫu VMOD tạo, cần phải sử dụng phương pháp điều chế PWM để điều khiển chuyển mạch van công suất Như phần trình bày phương pháp chỉnh lưu điều khiển dòng, có nhiều phương pháp điều chế mẫu gọi: điều chế mẫu theo sóng sin PWM (SPWM), sử dụng sóng xung tam giác hình 377 Phương pháp có hai thông số quan trọng: biên độ tỉ lệ số tỉ lệ m, tỉ lệ điều chế tần số p max VMOD m  max VTRIANG p fr fS (3-94) (3-95) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển max max Trong đó: VMOD , VTRIANG - biên độ điện áp mẫu VMOD điện áp xung tam giác VTRIANG tương ứng Bên cạnh đó, fS – tần số nguồn xoay chiều fr – tần số xung tam giác Trong hình 3-77, m = 0,8 p = 21 Khi m > tượng điều chế Phương pháp điều chế hình 3-77, có thành phần hài thay đổi theo p m Khi p < 21, chuyển sang chế độ điều chế PWM đồng có ý nghĩa xung tam giác lúc cần đồng Bên cạnh đó, để hạn chế sóng hài, giá trị p cần phải số nguyên, p số lẻ thành phần hài bị loại bỏ, p bội số 3, điều chế PWM ba pha giống Nếu giá trị m tăng, biên độ thành phần điện áp tăng tỉ lệ thuận, số thành phần hài giảm Chế độ điều chế (m > 1), thành phần điện áp tăng không tỉ lệ có xuất số thành phần hài Hình 3-76: Chỉnh lưu điều khiển áp cho hệ số công suất với tải khác Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-77: Điều chế sóng sin PWM dùng xung tam giác c Chỉnh lưu PWM điều khiển tải Phương pháp đơn giản điều khiển chỉnh lưu PWM công suất nhỏ (10 – 20 kW) dự nguyên tắc điều khiển trực tiếp dòng điện chiều Hình 3-78 sơ đồ khối hệ thống điều khiển Điện áp mẫu VMOD tạo dựa mẫu PWM, lựa chọn cho giảm thiểu sóng hài Như mẫu PWM không thay đổi, lưu trữ nhớ ROM Nguyên tắc điều khiển dự thay đổi góc công suất δ điện áp nguồn V điện áp mẫu VMOD Khi góc δ thay đổi, lượng công suất truyền từ phía xoay chiều dang chiều thay đổi Khi góc công suất âm (VMOD chậm pha so với V), công suất truyền từ ac sang dc, góc công suất dương, công suất truyền theo hướng ngược lại Như vậy, góc công suất điều khiển thông qua dòng điện dc ID Không cần theo dõi tín hiệu điện áp VD, cách điều khiển thiết lập ổn định điện áp chiều theo giá trị khác dòng điện góc công suất Với tính chất đó, tìm mối quan hệ dòng điện ID góc δ để có điện áp dc không đổi tất tải Quan hệ biểu diễn theo biểu thức Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển LS   V cos  sin   1 R  I D  f ( )     L   R 1   S     R   (3-96) Hình 3-78: Chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển tải Từ biểu thức 3-96, ta có hàm δ = f(ID ) dùng để thực điều khiển chỉnh lưu Quan hệ ID δ cho phép hoạt động chế độ ưu tiên hệ số công suất Chỉnh lưu ổn định điện áp điều khiển tải đặc trưng tính chất sau: (i) không cần dung cảm biến điện áp dòng điện nào; (ii) làm việc với mẫu PWM cố định chuẩn bị trước; (iii) có đặc tính ổn định tốt; (iv) Tính ổn định không phụ thuộc vào kích thước tụ dc; (v) làm việc chế độ ưu tiên hệ số công suất;và (vi) điều chỉnh theo biểu thức 3-96 để làm việc chế độ không điều chỉnh Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển [...]... số công suất dùng IC và (b) chấn lưu điện tử có điều chỉnh hệ số công suất Ngày nay các bộ chấn lưu đèn huỳnh quang dùng công nghệ tần số cao dần thay thế các chấn lưu cuộn cảm Các chấn lưu điện tử cần có bộ biến đổi ac/dc Để đáp ứng Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển yêu cầu giảm sóng hài, đạt chất lượng cao về hiệu suất cvà hệác bộ chỉnh lưu hệ số công suất. .. công hưởng chuyển mạch với điện áp chuyển mạch bằng không (zero voltage switching - ZVS) Có bổ xung các phần tử cuộn cảm (Lr ), tụ điện (Cr ), và van chuyển mạch công suất (Sr ), lưu ý: diode D được thay bằng hai “diode cộng hưởng” Dr1 và Dr2 Trong cả hai cấu trúc ZVS hoặc ZCS, điều kiện công hưởng đạt được thông qua điều khiển van chuyển mạch công suất Sr Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT... giới hạn ở công suất đến 300W đáp ứng tiêu chuẩn và qui định Phương pháp DCM với tần số thay đổi giảm hiệu quả về tiêu chuẩn sóng hài, do dòng điện được phân bổ trong phổ rộng Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển d Cấu trúc cộng hưởng cho chỉnh lưu tăng áp Một chỉ số quan trong trong điện tử công suất – các tổn hao trong các linh kiện bán dẫn công suất Các tổn... đầu vào để cân bằng công suất tác dụng Hình 3-21: Đáp ứng sự thay đổi tải (a) điện áp dầu ra v0; (b) dòng điện xoay chiều is c) Chế độ dẫn gián đoạn (Discontinuous Conduction Mode - DCM) Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất PFC dựa trên kích hoạt dòng điện theo dạng sóng định trước Có hai cách khác nhau để hiện thực phương pháp này: tần số Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh... về sóng hài cho các bộ biến đổi điện năng Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61000-3-2: Class D thiết lập giới hạn cho các Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển bộ biến đổi một pha công suất thấp bao gồm dòng điện xoay chiều đầu vào theo “dạng sóng đặc biệt” và công suất tác dụng đầu vào P ≤ 600 W Thiết bị trong Class D có dạng sóng dòng điện đầu vào nằm trong giới hạn... dòng điện xoay chiều và một chiều cũng có thể thiết lập nhờ đồ thị dạng sóng hình 227: GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Phạm Khánh Tùng I tc  ID 3 Isc  a (3-36) ID 3 2 Từ đó công suất trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp Stc  1,48.PD (3-37) Ssc  1,21.PD Biểu thức 3-37 cho thấy công suất của máy biến áp phía sơ cấp phải tăng 21% và phía thứ cấp phải tăng 48% so với công suất. .. ; và (c) điện áp vs < 0 Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển 3.1.2.4 Chỉnh lưu nhân đôi điện áp PWM Hình 3-30 so đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp bằng điều chỉnh độ rộng xung (PWM), sử dụng 2 transistors T1 and T2 và 2 tụ lọc C1 and C2 Các transistor được điều khiển bật tắt để điều khiển dạng sóng dòng điện nguồn theo điện áp đầu ra v0 Điện áp rơi... 3-35 b Chỉnh lưu PWM nhân đôi điện áp Phát triển các bộ điều khiển động cơ hiện đang là chủ đề có nhiều quan tâm, đặc biệt trong phạm vi công suất nhỏ Hình 3-35 trình bày cấu trúc bộ biến đổi dành cho các động cơ công suất thấp Cấu trúc bao gồm: động cơ ba pha công suất nhỏ, được cấp điện bằng nguồn điện xoay chiều một pha Các transistors T1, T2 và tụ điện C1, C2 tạo ra điện áp nhân đôi của chỉnh lưu... trong các thiết bị công suất lớn Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Dòng điện cuộn sơ cấp có dạng sóng tương tự thứ cấp Sự biến dạng lớn của dạng sóng dòng điện sơ cấp cần phải được lọc để giảm sự ảnh hưởng của các thành phần hài Dạng sóng trình bày trên hình 3-39 là thông tin hữu ích khi thiết kế máy biến áp Hình 3-39: Dạng sóng dòng điện nguồn xoay chiều... được xác định: vL  L dis  vs ( t )  v 0  0 dt (3-30) Và dòng điện trên điện cảm is biến đổi giảm Hình 3-33c, mạch điện tương đương khi T2 và T3 bật, khi đó điện áp trên điện ccarm tihnhs theo biểu thức: vL  L dis  vs ( t )  v 0  0 dt Điều này có nghĩa dòng điện is có giá trị tăng (3-31) Phạm Khánh Tùng GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3-33: Chỉnh lưu một pha