I. Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation)
2. Nguyên lý hoạt động của PWM
Hình 5.2: Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha
Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật Analog. Giản đồ kích đóng bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
- Sóng mang up ( Carrier signal) tần số cao.
- Sóng điều khiển ur – Reference signal ( Hoặc là sóng điều chế - Modulating signal) dạng sin.
Sóng mang up có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng cắt càng cao làm cho tổn hao phát sinh trong quá trình đóng ngắt tăng theo. Ngoài ra các linh kiện đòi hỏi thời gian đóng ton và thời gian ngắt toff nhất định. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang.
Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển của ba pha phải lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Trong trường hợp nghịch lưu áp một pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng, ta cần tạo hai sóng điều khiển
Hình 5.3: Bộ nghịch lưu cầu một pha
Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh với một dãy xung tam giác. Giao điểm của hai sóng được xác định là thời điểm kích mở van bán dẫn.
Hình 5.4: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van bán dẫn
Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đạt cực đại khi ở chế độ xung vuông. Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng xung càng giảm và độ
trống xung càng lớn, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển.
(Hình 5.5) giải thích việc sử dụng sóng tam giác so sánh để tạo điểm kích mở van dẫn. Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho xung ra có bề rộng b. Giảm biên độ sóng hình sin ta sẽ có một nửa có xung độ rộng c. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi như trong một chu kỳ xung tam giác thì xung sin không thay đổi, vì vậy ta có c = b/2.
Hình 5.5: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh
Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi, do vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu thay đổi. Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của sóng sin chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ tương ứng với giá trị cực đại của sóng sin. Điều đó đồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác.
Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm tăng các loại điều hòa bậc cao. Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tần số cơ bản sin hơn. Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện.
Sin hóa PWM :
Kỹ thuật sin hóa PWM được ứng dụng rất thông dụng trong công nghiệp. (Hình 5.6) trình bày nguyên lý cơ bản của PWM, trong đó một sóng mang chuẩn hình tam giác được so sánh với thành phần tần số cơ bản của sóng điều biến hình sin, điểm giao cắt của chúng đánh dấu điểm chuyển mạch của các phần tử bán dẫn công suất. Trong PWM ba pha, một sóng mang chung được sử dụng cho cả ba pha. Hình dạng chuẩn của sóng điện áp dây và điện áp pha với điểm so sánh điện áp là điểm trung tính được trình bày trong (Hình 3.6) .
Những loạt xung vuông biến đổi ở đầu ra bộ nghịch lưu được điều biến thành hình sin, và dạng sóng bao gồm một thành phần cơ bản của tần số điều biến. Biên độ của thành phần cơ bản có thể thay đổi khi tần số và điện áp của sóng điều biến thay đổi. Xử lý chuỗi Fourier của sóng điện áp đầu ra khá phức tạp, nhưng có thê trình bày theo công thức sau:
v(t) = m
2
d
V
sin (ω +st φ ) + thành phần hàm điều hòa Basel Trong công thức trên:
+ m: hệ số điều biến,
+ ωs tấn số góc cơ bản ( bằng tần số điều biến),
+ φ góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vào độ dương sóng đầu ra.
Hệ số điều biến được định nghĩa là = VP/VT , trong đó VP là biên độ của sóng điều biến và VT là biên độ của sóng mang. Lý tưởng thì m có thể biến đổi trong khoảng 0 và 1 thì có thể cho ta quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều tần và điện áp đầu ra. Khi m= 1, giá trị lớn nhất của thành phần cơ bản của điện áp điều tần và điện áp đầu ra. Khi m= 1, giá trị lớn nhất của thành phần cơ bản của điện áp đầu ra có giá trị bằng 0,5Ud và bằng 78,5% biên độ của điện áp xung vuông ( 4Ud/2π). Khi giá trị m = 0 thì điện áp đầu ra các xung
hình vuông đối xứng với các khoảng trống. Khoảng trống được định nghĩa là khoảng thời gian khóa của phần tử chuyển mạch. Khi giá trị m tiến dần tới 1, độ rộng của khoảng trống gần giữa của nửa chu kì sóng hình sin tiến dần tới không. Khi sự vận hành của bộ nghịch lưu hoàn hảo, độ rộng xung và khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ nhất được duy trì cho chuyển mạch và phục hồi đóng cắt. Cũng giống như vậy, khoảng thời gian trễ đóng cắt nhỏ nhất cũng được yêu cầu đối với quá trình đóng mở giữa hai phần tử đóng cắt cao và thấp khi cả hai phần tử này cùng khóa. Khoảng thời gian này đưa ra để loại trừ khả năng ngắn mạch van do quá trình trùng dẫn.
Dạng sóng đầu ra của PWM bao gồm thành phần sóng hài bậc cao tần số sóng mang và hài bậc cao tần số dải tần sóng điều biến. Tần số góc của sóng hài có thể tính theo công thức:
M.ω ±c Nωs
Trong đó:
+ ωc: tần số sóng mang
+ ωs: tần số sóng điều biến
+ M, N là những số nguyên và M + N là một số lẻ.
Biên độ của thành phần sóng hài không phụ thuộc vào hệ số điều biến tần số P và giảm bớt khi tăng độ lớn của M + N. Với giá trị cao của hệ số điều biến tần số, thành phần sóng hài dòng điện dây sẽ được lọc khá tốt bởi điện kháng tản của động cơ và dòng điện dây tiến dần đến dòng điện sin chuẩn.
tần số dòng điện dây có thể bị triệt tiêu trên dây. Lựa chọn P phụ thuộc vào sự cân bằng giữa tổn hao của bộ nghịch lưu và tổn hao sóng hài của động cơ. Khi tăng giá trị của P ( tương đương với tăng số lần đóng cắt trên một giây) sẽ làm tăng tổn hao trong đóng cắt của bộ nghịch lưu nhưng lại giảm được thành phần sóng hài trong động cơ.
Nguyên lý của một bộ PWM cơ bản không có gì khác so với kĩ thuật trình bày trong (Hình 5.6). Điện áp đầu ra có thể tăng tuyến tính khi tăng hệ số điều biến biên độ cho đến khi đạt giá trị đỉnh của điện áp ra là một điện áp của xung vuông. Khi hệ số điều biến tần số tăng lớn hơn 1 sẽ chuyển sang giai đoạn quá điều biến, khi đó điện áp đầu ra không còn tuyến tính với điện áp hình sin, quá trình điều biến chuyển sang giai đoạn quá điều biến. Khi chuyển sang giai đoạn quá điều biến sẽ xuất hiện các thành phần sóng hài bậc cao của tần số sóng cơ bản ( thông thường là bậc 3, 5 ,7 ...), các thành phần này là nguyên nhân chính làm tổn hao trong máy điện tăng lên.
Hình 5.7: Tương qua giữa điện áp tam giác và điện áp ra
Mặc dù mục tiêu của bộ nghịch lưu là điều biến điện áp ra hình sin, song điện áp xung vuông hoặc xung hình thang cũng được chú ý đến. Những bộ nghịch lưu dạng này đưa ra điện áp xung có độ rộng đối xứng ở đầu ra bộ nghịch lưu. Điện áp đầu ra có thể được điều khiển tuyến tính trong dải từ 0 đến điện áp ra có dạng sóng hình vuông bởi điều chỉnh biên độ của sóng điều biến. Điện áp ra dạng xung vuông đối với động cơ không tốt bằng điện áp hình sin, nhưng quá trình điều biến đơn giản hơn.