3. Nội dung luận văn
2.2. INVERTER ÁP MỘT PHA
2.2.1. Sơ đồ khối Inverter ỏp một pha
Biến tần ỏp một pha cú 2 cấu trỳc chớnh: Cú sử dụng biến ỏp ra và khụng cú biến ỏp ra.
a) Inverter một pha cú biến ỏp ra: Sơ đồ khối inverter ỏp một pha cú biến ỏp ra đƣợc chỉ ra trờn hỡnh 2.1, bao gồm 5 khối chớnh:
Hỡnh 2.1: Sơ đồ khối inverter ỏp một pha cú biến ỏp
Khối nguồn: là nguồn một chiều một chiều đƣợc cung cấp từ ăcqui, pin mặt trời, năng lƣợng sinh khối, ... thụng thƣờng nguồn vào cú điện ỏp thấp (từ 12V - 60V)
Khối DC/AC: bao gồm cỏc phần tử điện tử cụng suất cú điều khiển, chỳng cú nhiệm vụ biến đổi điện ỏp một chiều thành điện ỏp xoay chiều. Việc biến đổi này đƣợc thực hiện thụng qua điều khiển tỏc động đúng/mở cỏc van bỏn dẫn trong chỳng.
Khối điều khiển: Tạo ra qui luật và tớn hiệu điều khiển tỏc động đúng/mở cỏc van trong khối cụng suất. Khối điều khiển cú thể sử dụng vi điều khiển hoặc điều khiển tƣơng tự. Ngày nay chủ yếu sử dụng vi điều khiển. Khối lọc: Điện ỏp ở đầu ra khối DC/AC bao hàm nhiều điều hũa cú tần số khỏc nhau, nhiệm vụ của bộ lọc là khử cac súng điều hũa bậc cao, chỉ giữ lại súng điều hũa cơ bản.
Nguồn DC DC/AC Lọc
Khối điều khiển
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Mỏy biến ỏp làm nhiệm vụ biến đổi điện ỏp đầu ra đến cấp cần thiết tựy theo mục đớch sử dụng
b) Inverter một pha khụng cú biến ỏp ra: Sơ đồ khối inverter ỏp một pha khụng biến ỏp ra đƣợc chỉ ra trờn hỡnh 2.2. Trong cấu trỳc này ngƣời ta sử dụng bộ biến đổi DC/DC để tạo ra cấp điện ỏp mong muốn.
Hỡnh 2.2: Sơ đồ khối inverter ỏp một pha khụng cú biến ỏp
2.2.2. Một số sơ đồ Inverter ỏp một pha
-
. - –
.
- : Inverter điện ỏp một pha cú thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khỏc nhau. Sau đõy sẽ sử dụng sơ đồ Inverter cầu một pha là sơ đồ phổ biến nhất để xột nguyờn tắc tạo ra điện ỏp xoay chiều một pha trờn tải khi nguồn cung cấp cho BBĐ là một chiều.
a. 4 Transistor
Nguồn DC
Khối điều khiển
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cỏc bộ Inverter dựng thyristor cho chất lƣợng đƣờng cong điện ỏp và dũng điện đầu ra xấu, kể cả khi đó ỏp dụng biện phỏp cải thiện chất lƣợng. Dũng điện tải khỏc xa hỡnh sin, cú nhiều súng hài bậc cao với biờn độ khỏ lớn so với súng cơ bản gõy ra nhiều ảnh hƣởng xấu cho phụ tải của BBĐ. Mặt khỏc, việc điều chỉnh điện ỏp ra cũng tƣơng đối khú khăn. Cỏc tồn tại trờn là do thyristor chỉ cú khả năng điều khiển mở và tần số đúng cắt thấp. Để khắc phục cỏc nhƣợc điểm trờn, cú thể sử dụng cỏc bộ Inverter bằng dụng cụ điều khiển hoàn toàn nhƣ GTO hoặc cỏc loại transistor. Xuất phỏt từ cỏc đũi hỏi của thực tế kỹ thuật, cỏc nhà sản xuất dụng cụ đó khụng ngừng tỡm cỏc biện phỏp nõng cao chất lƣợng cỏc transistor. Hiện nay, đó cú nhiều loại transistor chịu đƣợc điện ỏp cao, dũng điện lớn cho phộp thay thế thyristor trong nhiều sơ đồ bộ biến đổi. Bờn cạnh khả năng điều khiển đƣợc cả quỏ trỡnh mở và khúa (điều khiển hoàn toàn) với cụng suất điều khiển rất bộ, cỏc transistor cụng suất lớn này cũn cho phộp làm việc với tần số đúng cắt cao (cỡ 20000 Hz).
Nhờ khả năng điều khiển hoàn toàn và tần số đúng cắt cao mà cỏc bộ Inverter dựng transistor cho phộp kết hợp điều chỉnh điện ỏp và cải thiện chất
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lƣợng dũng điện ra, giảm nhỏ kớch thƣớc đồng thời tăng chất lƣợng của thiết bị biến đổi.
b 4 Thyristor
* Sơ đồ mạch lực của bộ Inverter (cũn thiếu thiết bị chuyển mạch)
Nguyờn tắc khống chế:
Để tạo ra điện ỏp xoay chiều trờn tải Zt phải thực hiện khống chế cỏc thyristor chớnh của BBĐ làm việc theo quy luật nhƣ sau:
- Trong cỏc khoảng thời gian cần cú nửa chu kỳ dƣơng của điện ỏp trờn tải, thực hiện khống chế mở hai van T1, T2 và khoỏ hai van T3, T4.. Khi đú điện ỏp trờn tải (cũng là điện ỏp giữa 2 điểm A và B) sẽ là: ut = Ud.
- Trong cỏc khoảng thời gian cần cú nửa chu kỳ õm của điện ỏp trờn tải, thực hiện khống chế mở hai van T3, T4 và khoỏ hai van T1, T2. Khi đú điện ỏp trờn tải sẽ là: ut = –Ud.
Với việc khống chế sự làm việc của cỏc van theo quy luật nhƣ trờn và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện ỏp ra yờu cầu, kết quả nhận đƣợc điện ỏp trờn tải là điện ỏp xoay chiều cú dạng hỡnh chữ nhật (cũn gọi là dạng sin chữ nhật). Đồ thị điện ỏp trờn tải khi cho cỏc van làm việc theo quy luật trờn đƣợc minh hoạ trờn hỡnh 1.2.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hỡnh 2.5: Đồ thị điện ỏp ra của sơ đồ hỡnh 2.4
* Sơ đồ Inverter ỏp một pha dạng cầu chuyển mạch phụ thuộc theo nhỏnh (theo pha)
Trong sơ đồ này ngoài cỏc phần tử giống nhƣ sơ đồ hỡnh 1.1 cũn cú thờm cỏc phần tử chuyển mạch (mạch để khoỏ cỏc thyristor chớnh). Cỏc phần tử của thiết bị chuyển mạch gồm: L1, L4, C1, C4 là cỏc phần tử chuyển mạch của 2 van T1 và T4; cũn L2, L3, C2, C3 là cỏc phần tử chuyển mạch của 2 van T2 và T3. Cỏc điện cảm chuyển mạch cú giỏ trị nhỏ và bằng nhau, mặt khỏc từng cặp L1 và L4, L2 và L3 cú liờn hệ hỗ cảm với nhau (ghộp kiểu biến ỏp) với hệ số liờn hệ bằng 1. - T3 T1 D33 D11 C0 ut it * * * * + - C1 + - L1 L4 Ud Zt T2 T4 D44 D22 C3 C2 L3 L2 C4
Hỡnh 2.6: Sơ đồ Inverter ỏp một pha dạng cầu chuyển mạch phụ thuộc theo nhỏnh (theo pha)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
* Inverter cầu một pha chuyển mạch theo nhúm van, cú đi ốt cắt
Trong sơ đồ này, cỏc phần tử chuyển mạch dựng để khoỏ cỏc thyristor chớnh gồm cú C1, L1 (khoỏ nhúm van anụt chung T1, T3) và C2, L2 (khoỏ nhúm van Ka tốt chung T2, T4). Ngoài ra, trong sơ đồ cũn cú thờm cỏc đi ốt D1 D4 đƣợc gọi là cỏc điốt cắt (ngăn cỏch).
Hỡnh
2.3. INVERTER ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HèNH SIN (SPWM)
Nhƣ đó nờu, khi sử dụng cỏc dụng cụ điều khiển hoàn toàn cú tần số đúng cắt cho phộp cao (cỏc transistor cụng suất, IGBT, …), cú thể ỏp dụng cỏc thuật toỏn điều khiển phức tạp cho phộp cải thiện chất lƣợng của cỏc sơ đồ Inverter.
Việc điều chỉnh giỏ trị điện ỏp hoặc dũng điện đầu ra theo tần số, tạo ra đƣờng cong dũng điện qua tải cú dạng gần hỡnh sin là những yờu cầu hết sức quan trọng đối với cỏc bộ Inverter. Bộ Inverter điều chế độ rộng xung hỡnh sin (SPWM) là một trong cỏc bộ Inverter cú thể đạt đƣợc cả hai yờu cầu trờn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Để tạo ra chuỗi xung điện ỏp trờn tải cú đặc tớnh của chuỗi xung SPWM (chuỗi xung cú biờn độ bằng nhau, độ dài khỏc nhau đảm bảo dũng qua tải R- L gần hỡnh sin và cú biờn độ súng hài bậc nhất theo yờu cầu), cú thể chia thời gian nửa chu kỳ hỡnh sin (đƣợc xem là súng hài bậc nhất cần cú của điện ỏp ra khối Inverter) ra N phần bằng nhau, nhƣ trờn hỡnh 1.6a (trong đú N = 12) sau đú thay thế một phần đƣờng cong hỡnh sin bằng một xung hỡnh chữ nhật với chiều cao xỏc định và cú diện tớch bằng diện tớch bao bởi trục hoành và phần đƣờng cong hỡnh sin đƣợc thay thế, trung điểm của xung hỡnh chữ nhật trựng với trọng tõm của mỗi một phần trờn súng hỡnh sin (hỡnh 1.6b). Nhƣ vậy đồ thị súng do N xung hỡnh chữ nhật cựng biờn độ nhƣng khỏc nhau về chiều rộng đó thay thế (tƣơng đƣơng) cho một nửa chu kỳ hỡnh sin. Tƣơng tự, ở cỏc nửa chu kỳ khỏc của súng hỡnh sin cũng đƣợc thay thế theo phƣơng phỏp nhƣ vậy.
Chuỗi xung trờn hỡnh 1.6b chớnh là đồ thị điện ỏp đầu ra của bộ Inverter SPWM. Cú thể thấy rằng do biờn độ bằng nhau của cỏc xung nờn khối Inverter cú thể cung cấp bởi nguồn điện ỏp một chiều khụng đổi, tức là cú thể dựng chỉnh lƣu điode khụng điều khiển. Giỏ trị biờn độ của xung đầu ra khối Inverter chớnh là điện ỏp đầu ra của khối chỉnh lƣu. Khi khối Inverter làm việc ở trạng thỏi lý tƣởng, tớn hiệu điều khiển sự mở khúa của van bỏn dẫn cụng suất tƣơng ứng cũng sẽ cú dạng là một chuỗi xung tƣơng tự nhƣ trờn hỡnh 1.6b. Về mặt lý thuyết độ rộng của cỏc xung này cú thể dựng phƣơng phỏp tớnh để tỡm. Nhƣng biện phỏp thƣờng dựng trong thực tế là sử dụng phƣơng phỏp “điều chế” tƣơng tự nhƣ trong kỹ thuật thụng tin, đồ thị súng mong muốn (ở đõy là súng hỡnh sin) làm súng điều chế (Modulating wave), cũn tớn hiệu chịu sự điều khiển của nú gọi là súng mang (Carrier wave). Trong Inverter SPWM thƣờng dựng súng tam giỏc cõn làm súng mang, bởi vỡ súng tam giỏc cõn là hỡnh súng tuyến tớnh cú độ rộng trờn dƣới đối xứng nhau. Ở
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thời điểm súng điều chế giao với súng mang sẽ bắt đầu xuất hiện hoặc mất tớn hiệu điều khiển van bỏn dẫn cụng suất, cú nghĩa rằng, đầu ra bộ điều chế nhận đƣợc chuỗi xung hỡnh chữ nhật điều khiển cỏc van đú chớnh là kết quả cần thiết của bộ PWM. 2.8: c xung 2.9 a. b.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
.
2. 3.1.
Là loại biến đổi DC - AC đơn giản nhất. Tớn hiệu điều khiển khối cụng suất ở dạng xung vuụng. Điện ỏp AC thu đƣợc ở đầu ra nhờ việc đảo pha điện ỏp DC cấp vào biến ỏp với một tần số nhất định nhƣ hỡnh 1.8.
Hỡnh 2.10: Nghich lưu súng vuụng
Ở nửa chu kỳ đầu tớn hiệu xung kớch ở mức cao. Q1 và Q2 dẫn, Q3 và Q4
ngƣng dẫn do tớn hiệu xung kớch đó đi qua IC đảo trở thành mức thấp, dũng điện bờn sơ cấp biến ỏp đi theo hƣớng:
VDC → W11 → Q1, Q2 → GND
Cuộn thứ cấp thu đƣợc nửa chu kỳ dƣơng của dũng điện với biờn độ điện ỏp tỉ lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến ỏp.
Ở nửa chu kỳ sau tớn hiệu xung kớch ở mức thấp Q1 và Q2 ngƣng dẫn, Q3
và Q4 dẫn do tớn hiệu xung kớch đó đi qua IC đảo trở thành mức cao, dũng điện bờn sơ cấp biến ỏp đi theo hƣớng:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cuộn thứ cấp thu đƣợc nửa chu kỳ õm của dũng điện với biờn độ điện ỏp tỉ lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến ỏp.
Hỡnh 2.11: Dạng súng của Inverter súng vuụng so với súng sin
Trong đú:
Vi : Phần điện ỏp thiếu của súng vuụng so với súng sin Ve : Phần điện ỏp dƣ thừa của súng vuụng
Với việc mất đi phần đỉnh sin Vi. Khả năng đỏp ứng đối với tải cú thành phần cảm khỏng của Inverter súng vuụng là rất kộm.
* Ưu điểm:
- Mạch đơn giản, dễ sử dụng, giỏ thành thấp.
* Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp do tổn hao phần năng lƣợng tạo ra điện ỏp Ve. - Cụng suất tỏa nhiệt lờn cỏc van lớn.
- Dạng súng ra vuụng nờn chỉ cú thể làm việc đƣợc với tải thuần trở, cỏc thiết bị cú thể làm việc với nguồn xoay chiều và một chiều. Khi sử dụng cho cỏc tải cú đặc tớnh phụ thuộc vào tần số đặc biệt động cơ điện, dẫn tới khụng phỏt huy hết cụng suất, tổn hao phụ tải lớn làm giảm tuổi thọ thiết bị.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.2. LC ngừ ra
Hỡnh 2.12: Sơ đồ ghộp bộ lọc LC ở ngừ ra
Inverter súng vuụng kết hợp với bộ lọc LC ngừ ra cú cấu tạo giống bộ Inverter súng vuụng và đƣợc ghộp thờm bộ lọc LC sau đầu ra của cuộn thứ cấp nhƣ hỡnh 1.10.
Dạng súng của bộ Inverter sau khi đó kết hợp với bộ lọc LC đó mềm húa súng vuụng, giảm bớt biờn độ súng hài bậc cao. Nhƣng mới chỉ cải thiện chất lƣợng đƣợc đụi chỳt. Vẫn chƣa đảm bảo để chạy tải cảm cụng suất cao, cú thể chạy tải cảm nhẹ nhƣ quạt.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.3. Inverter sử dụng nhiều cấp điện ỏp một chiều
Một phƣơng phỏp cải tiến từ bộ Inverter đơn giản đú là tạo ra ở đầu ra nhiều cấp điện ỏp một chiều khỏc nhau, nhằm tạo nờn dạng điện ỏp ra là dạng súng kiểu bậc thang. Sau đú sử dụng bộ lọc LC biến đƣờng cong bậc thang đú thành hỡnh gần giống sin. Với đầu ra của biến ỏp càng nhiều cấp điện ỏp khỏc nhau thỡ chất lƣợng đầu ra của bộ Inverter càng đƣợc cải thiện.
Phƣơng phỏp này là tổng hợp của 2 phộp biến đổi DC - DC và DC - AC. Bƣớc đầu ta dựng phộp biến đổi DC - DC để tạo ra nhiều cấp điện ỏp một chiều khỏc nhau, hầu hết phộp biến đổi này thƣờng dựng biến ỏp xung. Vỡ dựng biến ỏp xung sẽ tiết kiệm về mặt kinh tế, nhỏ gọn và làm việc ở tần số cao nờn điện ỏp ra sau chỉnh lƣu rất ổn định. Đầu ra của biến ỏp xung đƣợc chỉnh lƣu bằng điode xung và đƣợc lọc cỏc xung nhiễu cao tần nhờ cỏc tụ C1
đến C4.
Sau đú biến đổi DC – AC sử dụng 3 bộ cầu H biến đổi 3 mức điện ỏp thu đƣợc thành điện ỏp bậc thang ngừ ra. Nhờ bộ loc LC mà điện ỏp ngừ ra đó đƣợc mềm húa đƣa về dạng gần giống hỡnh sin. Hỡnh 1.12 biến đổi DC - DC.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hỡnh 2.15: Dạng súng ra * Nguyờn lý hoạt động:
Xung tần số cao từ bộ điều khiển đƣợc đƣa tới 2 cực điều khiển của 2 MOSFET Q1, Q2 cấp nguồn cho biến ỏp hoạt động, cỏc đầu ra của biến ỏp sau khi đó chỉnh lƣu bằng điode xung cho ra cỏc điện ỏp lần lƣợt là: 0V, 98V, 230V, 310V.
Cỏc điện ỏp này đƣợc đƣa đến cỏc bộ cầu H nhƣ hỡnh 1.12 để thực hiện biến đổi DC - AC. Cỏc bộ cầu H đƣợc điều khiển bằng tớn hiệu h1, h2, h3, l1, l2, l3 từ bộ diều khiển:
- Với tớn hiệu h1 thực hiện cho dũng điện chạy từ: 98V - Q1A - L1 – Tai – L2 – Q1B – 0V. - Với tớn hiệu h2 thực hiện cho dũng điện chạy từ : 230V – Q3A – L1 - Tai – L2 – Q3B – 0V.
- Với tớn hiệu h3 thực hiện cho dũng điện chạy từ : 310V – Q5A – L1 - Tai – L2 – Q5B – 0V.
- Với tớn hiệu l1 thực hiện cho dũng điện chạy từ : 98V – Q2A – L1 - Tai – L2 – Q2B – 0V. - Với tớn hiệu l2 thực hiện cho dũng điện chạy từ :
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
230V – Q4A – L1 - Tai – L2 – Q4B – 0V. - Với tớn hiệu l3 thực hiện cho dũng điện chạy từ : 310V – Q6A – L1 - Tai – L2 – Q6B – 0V.
Với càng nhiều cấp điện ỏp, cỏc bậc thang càng bộ lại, chất lƣợng dũng điện càng đƣợc nõng cao hơn, hiệu suất cũng tăng lờn. Đến khi đạt mức lý tƣởng với n cấp điện ỏp (n → ∞) thỡ dũng điện sẽ là hỡnh sin. Nhƣng rất khú