(NB) Tiếp nối phần 1, phần 2 của cuốn sách Điện tử công suất chung cấp cho ban đọc các kiến thức về bộ biến đổi diện áp xoay chiều một pha và ba pha, Bộ biến đổi điện áp một chiều, bộ nghịch lưu và biên tần.
Chương 4: Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều 4.1 Giới thiệu chung Chức năng: thay đổi trị hiệu dụng điện áp ngõ trị hiệu dụng tần số điện áp ngõ vào không thay đổi Cấu trúc biến đổi điện áp chiều: U1 const, I1, f1 U2 var, I2, f2 ~ ~ f1=5060Hz f2=5060Hz Hình H4.1: Cấu trúc biến đổi điện áp xoay chiều Ứng dụng: + Điều khiển công suất tiêu thụ tải lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển đèn sân khấu, quảng cáo; + Điều khiển vận tốc động không đồng công suất vừa nhỏ máy quạt, máy bơm, máy xay …; + Điều khiển động vạn máy điện cầm tay, máy trộn, máy sấy… 4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha Sơ đồ nguyên lý t T t ải Hình H4.2: Sơ đồ ngun lý Trong trường hợp tải cơng suất nhỏ, thay SCR TRIAC 4.2.1 Trường hợp tải trở Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ vào, ngõ dạng sóng dòng điện tải hình H4.3 Ở bán kỳ dương điện áp nguồn: + Trong khoảng góc (0, ) SCR ngắt nên dòng điện qua tải ( ut 0; it ) + Tại thời điểm ứng với góc X = , đưa xung kích vào T1 làm cho T1 dẫn điện khoảng (X), dòng điện khép kín qua (u, T1, R) – trạng thái T1 Điện Tử Công Suất Trang 57 ut u U m sin t ; it ut R (4.1) + Tại thời điểm X , ut nên it , dòng điện qua T1 bị triệt tiêu nên T1 ngắt – tráng thái T1 T2 dẫn dẫn Hình H4.3: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ vào, ngõ dòng điện tải trở Ở bán kỳ âm điện áp nguồn: + Trong khoảng góc () SCR ngắt nên dòng điện qua tải ( ut 0, it ) + Tại thời điểm ứng với góc X , đưa xung kích vào T2 làm cho T2 dẫn điện khoảng (X 0, dòng điện tải liên tục gián đoạn Khoảng thời gian dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào thời gian đóng T1, thời gian ngắt T2 thông số R, L, E tải Đồ thị dạng sóng hình H4.6 - Dòng điện tải bị gián đoạn khoảng thời gian ngắt cơng tắc S Theo đồ thị hình H4.6, khoảng thời gian (T1 < t < t2), dòng điện tải liên tục giảm thời điểm t2 Thời điểm t2 xác định theo biểu thức: U T1 t2 ln (e 1) 1 (5.3) E - Trong giai đoạn dòng điện tải gián đoạn (t2 < t < T): điện áp tải E Trị trung bình điện áp tải xác định theo biểu thức: T T t2 t U t U E U E (1 ) (5.4) T T T T Với: T T T1 T2 : chu kỳ đóng ngắt cơng tắc S Hình H5.6: giản đồ dạng sóng chế độ đòng điện tải gián đoạn Điện Tử Công Suất Trang 65 Hệ Với chế độ dòng điện tải liên tục, ta có: - Điện áp tải có dạng xung, có giá trị thay đổi khoảng U - Điện áp tải thay đổi cách thay đổi thời gian đóng (T1), thời gian ngắt (T2) cơng tắc S xác định theo biều thức: T Ut U (5.5) T - Dòng điện tải chế độ xác lập: U E It t (5.6) R 5.2 Bộ tăng áp 5.2.1 Chức Dùng để chuyển lượng từ nguồn có điện áp thấp sang nguồn có điện áp cao Ví dụ: hãm tái sinh động điện chiều, lượng từ nguồn điện áp thấp (sức điện động E) trả trở lại nguồn chiều U 5.2.2 Sơ đồ nguyên lý I t U t Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý tăng áp Uđk Up Ut It Hình H5.8: giản đồ xung kích dạng sóng điện áp ngõ tăng áp Điện Tử Cơng Suất Trang 66 - Nguồn chiều có trị trung bình khơng đổi U, có khả tiếp nhận lượng từ tải trả - Linh kiện đóng ngắt S có là: BJT, MOSFET, IGBT, GTO SCR với chuyển mạch - Tải chiều dạng tổng quát RLE với E UK (do điện áp tụ dương hơn) Khi V2 dẫn dòng điện id chạy qua V2 Điện áp nạp tụ C đặt ngược cực tính SCR V1 làm V1 ngưng dẫn Tụ C nạp điện ngược chiều để chuẩn bị cho chu kỳ làm việc V1 nhận xung tín hiệu điều khiển Trên mạch điện tương đương, tụ tương đương 4C phản ánh cuộn sơ cấp 2:1 Phân tích sơ đồ tương đương vẽ dạng điện áp, dòng điện phần tử Hình 6.5 Trong thực tế mạch nghịch lưu độc lập song song dùng sơ đồ cầu Hình 6.7 Hình 6.7 : Nghịch lưu độc lập song dùng sơ đồ cầu Nghịch lưu độc lập song song, sơ đồ cầu gồm SCR V1,V2, V3, V4 đóng mở theo cặp, V1 V2, V3 V4 Tụ C đóng vai trò tụ chuyển mạch, mắc song với tải đầu vào chiều có cuộn cảm L có trị số đủ lớn để tạo nên nguồn dòng Khi SCR điều khiển theo cặp dòng đầu nghịch lưu is có dạng Hình chữ nhật với biên độ đầu vào Id Điện áp tải điện áp tụ Uc Giả sử V1, V2 dẫn tụ C nạp điện từ trái sang phải sơ đồ Tới nửa chu kỳ sau V3, V4 điều khiển dẫn điện, điện áp tụ C đặt ngược V1, V2 để ngắt V1, V2 Điện Tử Công Suất Trang 72 Nếu bỏ qua tổn thất sơ đồ giá trị trung bình điện áp cuộn cảm không, nghĩa là: uL = E - uab T u L dt 0 Nghịch lưu độc lập nguồn áp: Nếu nghịch lưu độc lập nguồn dòng sử dụng SCR nghịch lưu nguồn áp lại phải sử dụng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn IGBT, GTO, MOSFET Tranzito Trước người ta dùng SCR nghịch lưu nguồn áp, phải có hệ thống chuyển mạch cưỡng phức tạp Ngày công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn hoàn chỉnh nên van bãn dẫn điều khiển hoàn toàn sử dụng nghịch lưu nguồn áp Sơ đồ mạch Hình 6.8 dạng mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Hình6.8 : Mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp mơt pha Trên sơ đồ mạch điện van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4, điốt ngược D1, D2, D3, D4 Các điôt ngược phần tử bắt buộc sơ đồ nghịch lưu áp, giúp cho q 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 Tụ C có vai trò lọc nguồn ngõ vào vừa có vai trò chứa cơng suất phản kháng trao đổi với tải qua điôt ngược Nếu khơng có tụ C tụ C q nhỏ dòng phản kháng chạy qua không hết, tồn lại mạch gây tượng áp phần tử mạch điện dễ dẫn đến tưởng linh kiện bị đánh thủng áp Các van sơ đồ mạch điện điều khiển mở chu kỳ theo cặp, V1, V2 V3, V4 Kết điện áp ngõ có dạng xoay chiều xung chữ nhật với biên độ điện áp nguồn đầu vào, không phụ thuộc vào tải Điện áp dạng xung chữ nhật phân tích thành phần chuỗi Fourier gồm thành phần sóng hài với biên độ bằng: E (1 cosn) U n 2 n Điện Tử Công Suất Trang 73 Như điện áp tồn thành phần sóng hài bậc lẻ 1, 3, 5, với biên độ 4E , 4e 4E , , Với số phụ tải yêu cầu điện áp phải có dạng 3 5 sin dùng lọc để lọc bỏ thành phần sóng hài bậc cao Một số phương pháp điều chế độ rộng xung khác sử dụng để giảm thành phần sóng hài bậc cao 6.3 Phân tích nghịch lưu áp ba pha 6.2.1 Nghịch lưu pha phụ thuộc Tương tự nghịch lưu pha, nghịch lưu phụ thuộc ba pha phát sinh trình làm việc mạch điện có tải dùng nguồn dòng chiều trả nguồn chúng có điều kiện tương tự mạch điện pha Để tính tốn q trình lượng, cần ý biểu thức sau đây: U X a I d 2 U d U cos U U cos Id X a I d 2 Ed U d 2 Sơ đồ nghịch lưu phụ thuộc sơ đồ cầu ba pha trình bày Hình6.9 La V1 V3 V5 La La Rt Ed V4 V6 V2 + Hình 6.9: Mạch nghịch lưu phụ thuộc ba pha 6.2.2 Nghịch lưu độc lập ba pha: Cũng giống nghịch lưu phụ thuộc, nghịch lưu độc lập ba pha có hai loại nghịch lưu độc lập ba pha nguồn dòng nghịch lưu độc lập ba pha nguồn áp Mạch nghịch lưu độc lập nguồn dòng ba pha:(hình 6.10) Điện Tử Cơng Suất Trang 74 + L V1 V3 V5 Za E Zb C1 C2 A B C3 V4 - Zc C V6 V2 Hình6.10: Mạch nghịch lưu nguồn dòng ba pha Dạng nghịch lưu nguồn dòng ba pha thể sơ đồ Hình 6.10 Trên sơ đồ SCR từ V1 đến V6 điều khiển để dẫn dòng khoảng 1200, van cách 600 Hình 6.11 600 1200 1800 2400 3000 3600 V1 V2 V3 V4 V5 V6 Hình 6.11: Dạng tín hiệu điều khiển Mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha: Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha trình bày Hình 6.12 Sơ đồ gồm 06 van điều khiển hoàn toàn gồm V1, V2, V3, V4, V5, V6 điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5, D6 Các điốt ngược giúp cho trình trao đổi công suất phản kháng Điện Tử Công Suất Trang 75 tải với nguồn Đầu vào chiều nguồn áp đặc trưng với tụ C có giá trị đủ lớn Phụ tải ba pha đối xứng Za = Zb, = Zc đấu hình hay tam giác + D3 D1 V1 E D5 V5 V3 C D6 _ D2 V6 D4 V4 V2 Za Zb Zc Hình 6.12 : Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha độc lập Để tạo hệ thống điện áp xoay chiều ba pha có biên độ lệch góc 1200 pha, van điều khiển theo thứ tự cách 600 Khoảng điều khiển dẫn van khoảng 1200 đến 1800 Để thuân tiện cho việc xây dựng hệ thơng điều khiển góc điều khiển thường chon giá trị 1200, 1500, hay 1800 Ngày nay, nghịch lưu áp ba pha thường dùng chủ yếu với phương pháp biến điệu độ rộng xung, đảm bảo điện áp có dạng hình sin Để dạng điện áp không phụ thuộc tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, pha mạch điện ba pha điều khiển độc lập Vấn đề biến điệu bề rộng xung ba pha phải có ba sóng sin chủ đạo có biên độ xác lệch pha xác 1200 tồn giải điều chỉnh Điều khó thực mạch tương tự Ngày người ta chế tạo mạch biến điệu bề rộng xung ba pha dùng mạch số 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 xuyên giao hai van Hình 6.13 mơ tả cấu trúc hệ thống biến điệu bề rộng xung ba pha S S ụ S P hát ụ P hát ụ xung Hình 6.13: Hệ thống biến điệu bề rộng xung ba pha Điện Tử Công Suất Trang 76 6.4 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 6.4.1 Phương pháp điều biên - Độ lớn điện áp điều khiển cách điều khiển điện áp nguồn DC - Bộ nghịch lưu áp thực chức điều khiển tần số điện áp ngõ - Các cặp công tắc pha (S1 S4; S3 S6; S5 S2) kích đóng với thời gian chu kỳ áp Tần số áp tần số đóng ngắt linh kiện Hình H6.14 Giản đồ xung kích điện áp nghịch lưu áp theo phương pháp điều khiển theo biên độ 6.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chế xung Điện Tử Công Suất Trang 77 6.4 Bộ nghịch lưu dòng điện 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng pha Ld Ic IN It Ut Linh kiện phải có khả điều khiển ngắt dòng điện Có thể sử dụng IGBT mắc nối tiếp với diode cao áp sử dụng linh kiện GTO Ld có giá trị lớn (Ld = ) làm cho dòng điện đầu vào ln phẳng 6.4.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha Dạng mạch chứa diode cao áp bảo vệ Dạng mạch chứa tụ chuyển mạch Điện Tử Công Suất Trang 78 6.5 Bộ biến tần gián tiếp BCL Bộ lọc DC Bộ nghịch lưu Tải Bộ lọc DC: + Chứa tụ lọc với điện dung lớn Cf (khoảng vài ngàn F) mắc vào ngõ vào nghịch lưu Điều giúp cho mạch lọc DC hoạt động nguồn điện áp + Tụ điên với cuộn cảm Lf mạch lọc DC tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu + Cuộn kháng Lf có tác dụng nắn dòng điện chỉnh lưu (có thể không cần cuộn Lf) Bộ nghịch lưu: + Dạng pha ba pha + Quá trình chuyển mạch nghịch lưu áp thường trình chuyển đổi cưỡng Bộ chỉnh lưu: + Chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ngõ vào thành điện áp chiều + Chỉnh lưu điều khiển không điều khiển (thường không điều khiển) Khi tụ Cf bị điện áp điện áp xả qua nhánh S-Rb Ta sử dụng chỉnh lưu kép để đưa lượng áp tụ Cf nguồn lưới điện xoay chiều Bộ chỉnh lưu kép cho phép thực đảo chiều dòng điện qua chỉnh lưu điều kiện chiều điện áp tụ lọc không đổi dấu, lượng trả lưới điện xoay chiều qua chỉnh lưu 6.6 Bộ biến tần trực tiếp Tạo nên điện áp xoay chiều ngõ với trị hiệu dụng tần số điều khiển nguồn điện áp xoay chiều ngõ vào có tần số biên độ khơng đổi Phân loại Theo q trình chuyển mạch, biến tần trực tiếp phân biệt làm hai loại: + Bộ biến tần có q trình chuyển mạch phụ thuộc + Bộ biến tần có trình chuyển mạch cưỡng Điện Tử Cơng Suất Trang 79 Bộ biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch cưỡng chứa linh kiện tự chuyển mạch GTO, transistor Theo trình chuyển mạch, biến tần trực tiếp phân biệt làm hai loại: + Bộ biến tần có q trình chuyển mạch phụ thuộc + Bộ biến tần có q trình chuyển mạch cưỡng Bộ biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch cưỡng chứa linh kiện tự chuyển mạch GTO, transistor 6.6.1 Bộ biến tần trực tiếp pha Đồ thị điện áp dòng điện tải Bộ biến tần trực tiếp với trình chuyển mạch phụ thuộc điện áp nguồn xoay chiều 6.6.2 Bộ biến tần trực tiếp pha Cấu trúc có chung cuộn thứ cấp máy biến áp đòi hỏi mạch tải ba pha có điểm trung tính để hỡ Cấu trúc biến tần trực tiếp mắc chung nguồn thứ cấp MBA Điện Tử Công Suất Trang 80 Sử dụng cho tải pha có pha tải khơng thể phân cách độc lập Cấu trúc biến tần trực tiếp mắc riêng nguồn thứ cấp MBA Sơ đồ mạch công suất biến tần trực tiếp gồm chỉnh lưu tia ba pha Điện Tử Công Suất Trang 81 ... 0, ut ) - trạng thái - Trong khoảng góc X 3 , T2 kích lúc có điện áp khóa nên T2 dẫn điện Dòng điện khép kín qua mạch (u-T2-L) - trạng thái T2 ut u U m sin t - Trong khoảng... kích lúc có điện áp khóa nên T1 dẫn điện Dòng điện khép kín qua mạch (u-T1-L) - trạng thái T1 ut u U m sin t Điện Tử Công Suất Trang 59 - Trong khoảng góc 2 X , dòng điện tải... it ut R (4 .2) + Tại thời điểm X 2 , ut nên it , dòng điện qua T2 bị triệt tiêu nên T2 ngắt – tráng thái Hệ quả: - Trị hiệu dụng điện áp tải: Ut 2 2 sin 2 sin 2 u dx U