Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tuỳ ý.
Trên thực tế thì nghịch lưu nguồn áp được sử dụng khá phổ biến. Điện áp ra của nghịch lưu áp có thểđiều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng thyristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp.
Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và
được chuẩn hoá trong các bộ nghịch lưu công nghiệp. Do đó sơđồ nghịch lưu áp sử
17
Hình 2.4. Sơđồ nghịch lưu áp một pha
Hình 2.5. Sơđồ nghịch lưu áp ba pha
Nghịch lưu điện áp có đặc điểm: dạng điện áp ra tải được định hình sẵn, còn dạng dòng điện tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn cấp điện cho nghịch lưu
điện áp phải là nguồn sức điện động lớn với nội trở nhỏ.Nếu sử dụng chỉnh lưu làm nguồn cho nghịch lưu điện áp cần phải mắc thêm một tụ điện C0 ởđầu vào nghịch lưu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít thay đổi, mặt khác để trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải (với tải RL hoặc động cơđiện).Điện áp ra của nghịch Đ4 Đ1 T1 T4 Z T2 T3 Đ2 Đ3 + _ C0 EN Đ5 Đ2 T5 T2 Đ6 Đ3 T3 T6 Đ4 Đ1 T1 T4 EN ZB ZC ZA A B C UA iA iB iC
18
lưu điện áp không có dạng hình sin như mong muốn, mà đa số là dạng xung chữ
nhật.
Các van bán dẫn trong nghịch lưu điện áp có thể là thyristor hoặc các loại transito (bipolar, MOSFET, IGBT). Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha được sử
dụng trong các ứng dụng công suất thấp và các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất trung bình và cao. Mục đích chính của các bộ
nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cung cấp một nguồn áp 3 pha với biên độ, pha và tần số của điện áp có thể điều khiển được. Mặc dù hầu hết các ứng dụng đều đòi hỏi dạng sóng điện áp hình sin (ASDs, UPSs, FACTS, VACs), nhưng các điện áp bất kỳ cũng được yêu cầu trong một số ứng dụng (ví dụ: các bộ lọc tích cực, các bộ bù
điện áp).
Các sơ đồ nghịch lưu điện áp phần lớn có dạng tương tự như ở mạch chỉnh lưu, thông dụng nhất là các sơ đồ cầu.Vì vậy dưới đây chủ yếu sẽ xem xét nghịch lưu điện áp sơ đồ cầu dùng van điều khiển hoàn toàn. Khi nghiên cứu nghịch lưu
điện áp ta sẽ coi các van là lý tưởng.
• Ưu điểm của bộ nghịch lưu nguồn áp:
Bộ nghịch lưu nguồn áp như chúng ta được biết là khá thông dụng là do bộ
nghịch lưu loại này có một sốưu điểm sau:
- Điện áp và dòng ra được điều khiển gần dạng sin hơn.
- Điều chỉnh điện áp ra dễ dàng bằng điều chỉnh góc mở của chỉnh lưu và bằng
điều chỉnh khoảng dẫn của van, hoặc bằng các phương pháp điều chế thích hợp. - Có khả năng làm việc ở chếđộ không tải.
- Do sử dụng các tụ làm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch lưu loại này có kích thước nhỏ gọn hơn nghịch lưu nguồn dòng. Không có tổn hao trong cuộn kháng lọc nguồn.
• Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên thì nghịch lưu áp cũng có nhược điểm sau:
19
- Dòng điện và điện áp vẫn chứa nhiều thành phần sóng hài tần số cao. - Dễ bị ngắn mạch pha nếu không khoá van bán dẫn hợp lý.
-Với những hệ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì bộ nghịch lưu này khó đáp
ứng được do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn.
2.4. Bộ nghịch lưu đa bậc
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thì người ta đã có thể chế tạo ra các bộ nghịch lưu đa bậc.Bộ nghịch lưu đa bậc sẽ là một giải pháp tốt, nó có thểđáp ứng tốt những điều kiện tần số khắc khe nhất trong khi công suất cao.
Các ưu điểm của bộ nghịch lưu đa bậc:
- Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên. Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thểđạt giá trị tương đối lớn.
- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc.
- Điện áp đặt lên linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
Nghịch lưu đa bậc thường được phân loại theo cấu trúc sơđồ của nó, thường thì ba dạng phổ biến là:
+ Dạng nghịch lưu điốt kẹp (diode_clamped inverter).
+ Dạng nghịch lưu tụ kẹp (capacitor_clamped inverter) hay tụ bay (flying capacitor).
+ Dạng nghịch lưu cầu H nối cấp (cascaded H-bridge inverter).
2.4.1. Dạng nghịch lưu kiểu điốt kẹp (diode_clamped inverter)
Nghịch lưu 3 bậc dạng điốt kẹp (NPC-Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) được giới thiệu vào năm 1981.
20
Bộ nghịch lưu này có một điểm điện áp “không” một chiều, nó có khả năng chuyển mạch cho các pha đầu ra, do đó để chuyển mạch được thì mỗi pha đầu ra của bộ biến đổi phải đặt lên một trong ba mức điện áp. Lợi ích chính của cấu trúc này đó là mỗi khoá chỉ phải chịu một nửa điện áp một chiều. Tuy nhiên ở đây có một vấn đề mới xuất hiện là phải đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ kết nối với nguồn một chiều.
Hình 2.6. Nghịch lưu 3 bậc dạng điốt kẹp
Một giải pháp đơn giản là mỗi tụ nối với một nguồn một chiều riêng rẽ. Một phương pháp khác để cân bằng điện áp trên các tụ là điều khiển phản hồi. Sau đó, dạng này đã được mở rộng thành dạng bộ nghịch lưu bậc cao hơn như bên dưới:
_ + _ C a b c C Vdc _ + +
21 Hình 2.7. Nghịch lưu 4 bậc dạng điốt kẹp Hình 2.8. Nghịch lưu 6 bậc dạng điốt kẹp 0 + - Vdc + - C + - C C - + a b c C C C C C a b c + _ EN
22
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ
nghịch lưu đa bậc chứa các cặp điốt kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụđiện mắc nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha – nguồn DC có thểđạt được (n+1) giá trị khác nhau và từđó bộ nghịch lưu
được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thểđạt được gồm (0, U, 2U, ..., nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch DC (ví dụ M) nhờ cặp điốt kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 = U), tất cả các linh kiện bị “kẹp” giữa hai điốt(D1, D1’) –gồm n linh kiện nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụ S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại sẽ bị khóa theo qui tắc kích đối nghịch. Tương ứng với 6 trường hợp kích đóng linh kiện “bị kẹp” giữa 6 cặp điốt (hai cặp điốt“kẹp” ở hai vị
trí biên là trường hợp đặc biệt), ta thu được 6 mức điện áp pha - nguồn DC 0,U,2U,...,5U. Vì có khả năng tạo ra 6 mức điện áp pha nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên hình 2.8 còn gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc.
Dạng mạch nghịch lưu áp đa bậc dùng cặp điốt kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần.Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần sốđóng ngắt giảm đi một nửa.Tuy nhiên với n>3, mức độ chịu
điện áp trên các điốt sẽ khác nhau.Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
• Ưu điểm của nghịch lưu bậc dạng diode_clamped:
- Số tụđiện là ít, nhưng phải thêm điốt kẹp trong sơđồ. - Có thể sử dụng một nguồn áp DC.
- Dạng mạch nghịch lưu áp đa bậc dùng cặp điốt kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần.
23
cũng tồn tại nhược điểm :
- Khi bộ nghịch lưu có bậc lớn hơn 3 thì điện áp mà điốt kẹp phải chịu đựng là VDC(n-2)/(n-1) cao. Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp các
điốt.
- Vấn đề không cân bằng điện áp các tụđiện ở bộ nghịch lưu đa bậc dạng này có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt, đặc biệt là khi số bậc lớn.
2.4.2. Nghịch lưu kiểu tụ kẹp (Capacitor Clamped Inverter)
Hình 2.9.Sơđồ cấu trúc nghịch lưu dạng tụ kẹp Q1a Q2a Q3a Q(N-2)a Q(N-1)a C(N-2)a + - Udc M Udc/2 Udc/2 iC(N-2)a T(N-1)a T(N-2)a T3a T2a Ipha C2a C1a T1a a
24
Nghịch lưu đa mức dạng tụ kẹp hay còn gọi là nghịch lưu đa mức kiểu tụ
bay. Cấu trúc này cũng cho phép tạo ra điện áp có nhiều mức nhưng thay vì dùng
điốt kẹp thì cấu trúc này sử dụng các tụ điện được xếp lớp lên nhau mà không có các điốt kẹp.Chúng tạo nên các tế bào dùng tụ chuyển mạch ghép nối tiếp.Cấu trúc này có một số đặc điểm chú ý khi so sánh với cấu trúc nghịch lưu điốt kẹp. Ngoài
đặc điểm không dùng điốt kẹp nhưđã nói thì quan trọng nhất là cấu trúc này còn có các tổ hợp logic chuyển mạch thừa ra trong mỗi pha mà chúng có thểđược sử dụng
để cân bằng điện áp các tụ điện để nghịch lưu chỉ phải sử dụng một nguồn một chiều duy nhất. Mỗi pha có 2.(N-1) khoá tích cực và (N-2) tụ, với N là số mức của song điện áp UxM. Điện áp ngõ ra là kết hợp của các tụđiện được mắc nối tiếp trên sơđồ.
Hình 2.10. Nghịch lưu 3 bậc dạng tụ kẹp
Cấu trúc của bộ nghịch lưu 3 bậc dạng Capacitor Clampednhư hình 2.10.Mạch bao gồm mười hai khoá tích cực có điốt mắc song song ngược và ba tụ
bay. Ý tưởng chung ở đây là mỗi tụ bay được nạp tới một nửa điện áp một chiều. Các tụ này có thể nối nối tiếp với pha để tăng hoặc giảm điện áp này.
Các đặc điểm của bộ nghịch lưu đa bậc dạng capacitor_clamped:
- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu đa bậc dạng này là số lượng tụđiện trong
+ + - Vdc C c b a C1 C1 C1 -
25
sơđồ là nhiều.
- Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không như bộ
nghịch lưu đa bậc dạng diode_clamped khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng
điện áp ở ba pha ngõ vào.
- Giá trị các tụ điện cao dần từ tụ lớp trong cùng tới tụ lớp ngoài cùng. Ví dụ Cf2 = 2.Cf1.