Điện tử công suất 5.3.13 ĐIỀU KHIỂN ĐỘ RỘNG XUNG THEO ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (Pulse width Control with Field Orientation) [47] Để giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số dạng hình chữ nhật thay cho đường tròn, chẳng hạn dùng đường bao vuông gắn với vector từ thông rotor máy điện (xem hình H5.32) Cách chọn lựa dó nhiên làm xuất thêm lượng sóng hài bậc cao theo hướng trục từ thông rotor Tuy nhiên, điều lại không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành moment động (hằng số thời gian lớn rotor loại bỏ tác dụng gián tiếp từ thông rotor lên moment động cơ) Việc chọn lựa vector đóng ngắt thực theo phương pháp dự báo cho tần số đóng ngắt nhỏ việc đóng ngắt theo trục d dòng điện hạn chế khả mở rộng đường bao Các sóng hài moment giảm xuống sóng hài dòng điện tăng lên (theo trục d) Ví dụ 5.4: Cho nghòch lưu áp dạng cầu pha với dạng sóng điện áp cho hình vẽ H5.1 Giả thiết dòng điện qua tải có dạng It=540.sin( ω t- π / ) Nguồn dc có độ lớn 300V a Vẽ dạng sóng dòng tải dòng qua nguồn xác đònh khoảng dẫn linh kiện b Xác đònh trò trung bình dòng qua nguồn công suất nguồn cung cấp c Xác đònh công suất tiêu thụ tải Giải: a vẽ hình H5.33 b I sAV = π π 540 sin(ωt − ).d (ωt ) = 243,1A π ∫ Ps=300.243,1=72.930W=72,93kW 5-43 Điện tử công suất c Trò hiệu dụng thành phần hài áp ra: 4U U t (1) = = π 400.300 π = 270,14V Pt=Ut(1).It(1).cos ϕ =270,14 540 cos π =72,930W=72,93kW Ví dụ 5.5: Bộ nghòch lưu áp pha mắc vào nguồn chiều U ,tải R = 10Ω, L =0,01H Bộ nghòch lưu áp điều khiển theo phương pháp điều biên a/- Tính độ lớn nguồn U để trò hiệu dụng áp tải Ut = 100V Tính góc điều khiển chỉnh lưu cầu pha, giả thiết dòng tải chỉnh lưu liên tục Nguồn xoay chiều có trò hiệu dụng áp pha Uf = 220V b/- Với áp nguồn xác đònh câu a Tính trò hiệu dụng áp hài c/- Tính trò hiệu dụng dòng tải Giải: a/- Trò hiệu dụng áp tải: Ut = U = 100V Vậy áp nguồn Uf= 100V Ở xác lập dòng liên tục: Ut = Từ đó: cos α = π.U 2 U f = 2 Uf cos α π π.100 2 220 = ,5048 Vậy α = 1,0415[rad] b/- Dùng phân tích chuỗi Fourier áp dụng cho áp tải ut Ta biên độ sóng hài bậc k áp ra: AK = π ∫ 2π ut sin (K x ).dx = U Kπ (1 − cos K π) Rõ ràng sóng hài bậc chẵn không tồn Trò hiệu dụng sóng hài áp tải U t (1 ) = A1 4.U = π = 90 ,03 [V ] c/- Trò hiệu dụng dòng điện tải tính theo hệ thức: It = 2π 2π ∫ i dx t Để giải phương trình xác đònh dòng it, ta áp dụng công thức sau : ⎞2 ⎛ ∞ It = ⎜ it2( j ) ⎟ ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ j =1 ∑ Với I t (K )` = U t (K ) Z (K ) 2.U = K π (1 − cos K π) R + (K ω.L ) Ta thấy bậc k sóng hài bậc cao, trò hiệu dụng dòng điện tương ứng thấp Do đó, ta tính it gần thông qua vài hài bậc thấp Ví dụ chọn k = 1,3,5, 5-44 Điện tử công suất Ut(k) [V] It(k) [A] Ut(1) [A] 87,828 It(1) [A] 8,37 Ut(3) 29,27 It(3) 2,13 ( Ut(5) 17,56 It(5) 0,94 -Từ đó: It ≈ It2(1) + It2(3 ) + It2(5 ) ) Ut(7) 12,54 It(7) 0,51 Ut(9) 9,75 It(9) 0,325 Ut(11) 7,98 It(11) 0,22 = 8,72 [A] Ví dụ 5.6: Bộ biến tần áp pha có cấu trúc gồm chỉnh lưu cầu pha không điều khiển, mạch chọn LC nghòch lưu áp pha điều khiển theo phương pháp điều rộng Áp nguồn xoay chiều Uf = 220V Tính độ rộng ϕ để đạt trò hiệu dụng điện áp tải Ut = 100V; Dẫn giải công thức tính trò hiệu dụng sóng hài bậc k áp từ thiết lập tỉ số mk1 = Ak với Ak A1 biên độ sóng hài bậc k bậc 1; Á So sánh ảnh hưởng sóng hài phương pháp điều biên phương pháp điều rộng Giải: Trò hiệu dụng sóng hài bậc k : U t ( K ) = 1⎡ ut sin( K X )dX = ⎢ π⎢ ⎣ K ϕ 4U = sin K π AK = π ∫ 2π Trò hiệu dụng áp ra: U t = U AK , với : π ϕ + 2 U sin( K X )dX π ϕ − 2 ∫ + 3π ϕ + 2 3π ϕ − 2 ∫ ⎤ (− U ) sin( K X )dX ⎥ ⎥ ⎦ ϕ π Giả thiết áp tụ chọn lọc phẳng , ta có: U = 2 2 U f = 220 = 198 [ v ] π π Độ rộng xung ϕ: ϕ= U t2 U2 π = 100 198 2 Tỉ số: m k1 π = ,8013 [ rad ] 4U k ϕ k ϕ sin sin = = k π ϕ ϕ 4U k sin sin k π Tỉ số mk1 phụ thuộc vào độ rộng ϕ bậc k Theo phương pháp tính điều biên: 5-45 Điện tử công suất m k1db thò: 4U = k π = 4U k π Kết so sánh sóng hài theo hai phương pháp điều khiển biểu diễn qua đồ f SS k ϕ sin m = k1 = mk1db sin ϕ với < ϕ < π ; k = 3, 5, 7, 9, 11 Ví dụ 5.7: Cho chỉnh lưu áp pha dạng mạch cầu Tải trở R = 2,4Ω ; điện áp nguồn chiều U= 48V a Tính trò hiệu dụng hài áp ; b Tính công suất trung bình tải ; c Tính trò trung bình trò tức thời lớn dòng điện qua transistor; d Xác đònh điện áp khóa lớn đặt lên transistor ; e Tính hệ số biến dạng áp Giải: 4U a U t (1) = π = 4.48 = 43 ,2 [V ] π b Công suất trung bình tải : U2 Pt = t = R ⎛ ⎜ ⎝ 2π ∫ 2π ⎞2 u t2 dx ⎟ ⎠ R = U2 R = 48 = 960 [w] ,4 c Trò trung bình dòng qua transistor: I TAV = 2π ∫ πU R dx = U 2R = 10 [ A ] Trò tức thời lớn dòng qua transistor: iT max = U R = 48 = 20 [ A ] ,4 d Điện áp khóa lớn đặt lên transistor ví dụ S1, xảy S4 dẫn (UT4=0): uT1= U - uT4 = U = 48[V] e Hệ số biến dạng áp ra: THDU ⎛ ∞ ⎞2 ⎜ U ⎟ t( K ) ⎟ ⎜ U t2 − U t2(1) k = ⎝ ⎠ = = U t (1) U t (1) ∑ ( với Ut = 48 [V], Ut(1)= 43,2 [V] Ta được: THDU (48 = − 43 ,2 43 ,2 ) ) = ,484 Ví dụ 5.8: 5-46 Điện tử công suất Bộ nghòch lưu áp ba pha với tải trở ba pha đối xứng đấu thành dạng Độ lớn điện trở pha R = 10Ω Tần số làm việc nghòch lưu áp f= 50Hz Trò hiệu dụng áp nguồn chiều U = 220V a Xác đònh trò hiệu dụng điện áp ; b Viết phương trình sóng hài bậc điện áp tải dòng tải ; c Tính công suất tải ; d Tính hệ số biến dạng áp e Tính trò trung bình dòng điện qua transistor Giải: 2 U = 220 = 103 ,7 [V ] 3 Ut = b Biên độ sóng hài bậc áp: U t (1 ) m = 4.U π cos π U = = ,6366.U = ,6366.220 = 140 [V ] π Phương trình sóng hài bậc áp tải - pha A uAt(1) = 140.sin(314t) Phương trình sóng hài bậc dòng tải- pha A i At (1 ) = 140 sin 314t = 14 sin 314t R c Vì tải trở nên công suất tải cho hệ thức : Pt = U t2 103 ,7 = = 3226 ,1[W ] R 10 d Hệ số biến dạng áp ra: THDU (U = t − U t2(1) U t (1 ) ) 2 ⎛ ⎜103 ,7 − ⎛⎜140 ⎞⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎜ ⎝ ⎠ ⎝ = ⎛140 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎞2 ⎟ ⎟⎟ ⎠ = ,312 e Trò trung bình dòng điện ngõ vào nghòch lưu : IC = Pt 3226 ,1 = = 14 ,664 [ A ] 220 U Các diode đối song với transistor không dẫn điện Mỗi transistor dẫn điện 1/3 chu kỳ với trò trung bình dòng điện qua : ITAV = I C 14,664 = = 4,888[ A] 3 Ví dụ 5.9 Bộ biến tần gồm chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn tòan, mạch lọc LC nghòch lưu áp ba pha p nguồn xoay chiều chỉnh lưu có trò hiệu dụng áp pha Uf = 220V Bộ nghòch lưu áp ba pha điều khiển theo phương pháp điều biên (phương pháp bước) Giả sử dòng điện qua tải chỉnh lưu liên tục áp tụ C lọc phẳng Tính góc điều khiển chỉnh lưu cho: a Trò hiệu dụng điện áp pha tải 50V, 100V, 200V; b Trò hiệu dụng sóng hài điện áp pha tải 50V, 100V, 200V 5-47 Điện tử công suất Giải: a Ta có: U ; U = U f cos α π π.U t Từ đó: cos α = U f Ut = Ut = 50V ⇒cosα = 0,2061 ⇒α = 1,3631 rad Ut = 100V ⇒cosα = 0,4122 ⇒α = 1,1458 rad Ut = 200V ⇒cosα = 0,8244 ⇒α = 0,6015 rad b U t (1 ) = ⇒ cos α = 4.U π U t (1 ) cos π 3 = U cos α = 231,65 cos α π 2 π 231,65 Ut1 = 50V ⇒cosα = 0,21584 ⇒α = 1,3532 rad Ut(1) = 100V ⇒cosα = 0,43168 ⇒α = 1,1244 rad Ut(1) = 200V ⇒cosα = 0,8633 ⇒α = 0,5288 rad Ví dụ 5.10 Bộ nghòch lưu áp pha điều khiển theo phương pháp điều rộng xung Sóng mang dạng tam giác up có tần số fp = 500Hz, biên độ thay đổi (12V,+12V), điện áp điều khiển xoay chiều dạng sin, tần số fdk = 50 Hz Nguồn áp chiều U = 100V a Tính biên độ sóng hài áp udk có biên độ UdkM 1V,5V,10V,12V b Tính biên độ sóng hài bậc 3,5,7 áp cho trường hợp câu a Giải: a Biên độ thành phần điện áp hài áp tải tính theo hệ thức : u t (1 ) m = π 2π ∫ u sin xdx t với ut = U udk ≥ up ut = -U udk < up Hàm udk : udk = UdkM.sin(2π.f.t) b Biên độ sóng hài bậc cao điện áp ra: ut(K)m = π 2π ∫ u sin (K x )dx t Kết tính toán máy vi tính cho ta: UdkM[V] 10 12 Ut(1)M[V] 8,347 41,66 83,34 100,46 Ut(3)M[V] 0,012 0,013 0,002 0,44 Ut(5)M[V] 0,01 0,006 0,0025 0,349 5-48 Điện tử công suất Biên độ sóng hài tính đơn giản theo hệ thức: Ut(1)m=udkM.Ud/upM Kết quả: udkM[V] Ut(1)m[V] 8,33 41,66 10 83,33 12 100 Ví dụ 5.11 Giải lại toán với sóng điều khiển dạng chữ nhật: Giải: Cách tính toán thực tương tự trường hợp áp điều khiển dạng sin Cần lưu ý đến hàm điều khiển có dạng: udk= UdkM nửa chu kỳ dương = -UdkM nửa chu kỳ âm Kết tính máy tính cho ta dạng bảng sau: UdkM[V] Ut(1)m[V] Ut(3)m[V] Ut(5)m [V] 10 12 10,53 52,77 106,1 127,3 3,3 17,09 35,11 42,43 17,16 9,54 20,78 25,43 5-49