Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H (hình 6.la) chứa 4 công tắc và 4 diode mắc đốì song.
135 Hình 5.1
Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị áp tải được vẽ trên hình 6.1b.
Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu tương tự như bộ nghịch lưu áp ba pha. Hai cặp công tắc (S1 , S4 ) và (S2, S3 ) tương ứng với hệ thông hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình 5.2).
Hình 5.2 Ta có:
Rõ ràng:
ut = ut1/2 = ut2/2 = u10– u20
Nếu các côngtắc được kích theo qui tắc đốinghịch, ta có thể xác định dạng áp trên tải dựa trên giản đồ kích công tắc và điện áp nguồn
Nếu kích S1ngắt S4:
u10 = + U 2 Nếu kích S4ngắt S1:
136 u10 = - U 2 Nếu kích S3ngắt S2: U20 = + U 2 Nếu kích S2ngắt S3: U20 = - U 2
Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng nửa cầu: điện áp bằng với điện áp pha tải - tâm nguồn, bài toán trở nên đơn giản.
Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu: Quá trình điện áp và dòng điện được vẽ trên hình (H5.2b)
Xét quá trình các đại lượng trong một chu kỳ hoạt động ở chế độ xác lập. Giả thiết rằng tại thời điểm t=0, thực hiện đóng S1 và S2, ngắt S3 và S4. Điện áp tải bằng U, dòng điện tải chạy qua mạch (U – S1– S2) tăng lên theo phương trình:
0 ≤ t ≤ T/2 ut = U ut = R.it + Ldit dt nghiệm dòng điện có dạng: A là hằng số, T = L/R là hằng sốthời gian.
Tại thời điểm t=T/2, thực hiện ngắt S1, S2 và đóng S3 , S4. Điện áp xuât hiện trên tải bằng - U, dòng điện qua mạch (U, RL, S3 , S4) giảm theo phương trình:
T/2 ≤ t ≤ T ut = - U ut = R.it + Ldit
dt Lúc đó, tại thời điểm t = 0:
137
Tại thời điểm t = T/2:
Tại thời điểm t = T:
Như vậy, quá trình dòng tải trong một chu kỳ hoạt động sẽ có thể biểu diễn như sau:
Giá tri Iminvà Imaxcó thể xác định từ quá trình đôi xứng của hai nửa chu kỳ điện ápvà dòng điện tải, từ đó suy ra rằng Imax = - Imin. Áp dụng quan hệ trên vào các hệ thức tính I, ta thu được :
* Công suất tải :
Công suất tiêu thụ trên tải R-L có thể xác định theo hệ thức với R.it2là trị hiệu dụng dòng
điện qua tải được tính theo biểu thức:
138 của linh kiện bộ nghịch lưu:
P = U.Is BÀI TẬP THỰC HÀNH * Lắp ráp và khảo sát hoạt động mạch a.Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị - Bộ dụng cụ cầm tay nghề điện tử - Panel chân cắm nhỏ.
- Máy đo VOM và DVOM - Máy hiện sóng 2 kênh 40MHz
- Linh kiện điện tử rời phục vụ cho bài. - Mạch in đã được thiết kế sơ đồ sẵn. - Dây nối mạch điện.
- Linh kiện làm tải giả cho mạch. - Chì hàn, nhựa thông
- Dây có chốt cắm 2 đầu. b. Qui trình thực hiện
+ Lắp ráp mạch theo sơ đồ (hình 5-1)cho trước: + Cấp nguồn cho mạch
+ Đo giá trị điện áp vào/ ra, dạng điện áp vào / ra của mạch. Nhận xét.
+ Tự thiết kế mạch theo yêu cầu cho trước về các giá trị điện áp đầu ra và dòng tiêu thụ trên tải.
c. Báo cáo thí nghiệm
Sinh viên cần hoàn thành các yêu cầu sau:
- Trình bày quá trình thí nghiệm theo trình tự hướng dẫn - Ghi các kết quả thí nghiệm vào báo cáo.
139 - Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả.
2. Bộ Nghịch Lưu Áp Ba Pha:
Trong thực tế mạch bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ởdạng mạch cầu (hình 5.4a). Mạch chứa 6 công tắc S1, S2, .... S6 và 6 diode đôi song D1, D2, .... D6.
Tải ba pha có thể mắc ởdạng hình sao (hình 5.4b) hoặc tam giác (hình 5.4c).
Hình 5.3 Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:
utl + ut2 + ut3 = 0
140
(một cách tổng quát, điểm phân thế 0 có thể chọn ở vị trí bất kỳ trên mạch nguồn DC). Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải ut1 ut2, ut3. Ta có:
utl = u10 - uN0 ut2 = u20 - uN0 ut3 = u30 - uN0
Điện áp u10, u20, u30được gọi là các điện áp pha -tâm nguồn của các pha 1,2,3. Các điện áp ut1 ut2, ut3 ; u10, u20, u30và uN0có chiềudương qui ước vẽ trên hình 5.3a
Cộng các hệ thức trên và để ý rằng utl + ut2 + ut3= 0, ta có: 0 = u10 + u20 + u30 -3uN0 Từ đó:
uN0 = U10 + U20 + U30 3
Thay UNOvào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có: Ut1 = 2U10− U20 − U30
3
Ut2 = 2U20− U30 − U10 3
Ut3 = 2U30− U20 − U10 3
Điện áp dây trên tải:
* Quá trình điện áp ( và do đó quá trình dòng điện) ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian u10 u20, u30
Xác định điện áp pha - tâm nguồn cho bộ nghịch lưu áp: Cặp công tắc cùng pha gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1, S4 ), (S3 ,S6) và (S5 S2) là các cặp công tắc cùng pha
* Qui tắc kích đóng đôi nghịch: cặp công tắc cùng pha được kích đóng theo qui tắc đôi nghịch nếu như hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn ) hoặc cùng kích ngắt không được phép.
Nếu biểu diễn trạng thái được kích của linh kiện bằng giá trị 1 và trạng thái khóa kích bằng 0, ta có thể viết phương trình trạng thái kích của các linh kiện trong mạch nghịch lưu áp 3 pha như sau:
141
S1 + S4 =1; S3 + S6 =1; S5 + S2 =1
* Qui tắc: Giả thiết bộ nghịch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình vẽ 5.3.a. Giả thiết các công tắc cùng pha được kích đóng theo qui tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu.
Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị +U/2 nếu công tắc lẻ của pha được kích đóng và -2/U nếu công tắc chẵn được kích không phụ thuộc trạng thái dòng điện.
* Hệ quả:
- Điện áp trên tải được xác định hoàn toàn nếu ta biết được giản đồ kích đóng các công tắc và điện áp nguồn. Do đó, ta có thể điều khiển điện áp ngổ ra của bộ nghịch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc.
- Nếu các cặp công tắc cùng pha không được kích đóng theo qui tắc đốì nghịch, dạng điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham số tải ). Đây là trường hợp kích đóng do ý muốn đối với tải dạng cộng hưởng. Dòng điện có thể ỏ trạng thái liên tục hoặc gián đoạn.
Ta cần chú ý rằng, một công tắc được kích đóng không có nghĩa là nó sẽ dẫn điện. Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể xảy ra trường hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn quadiode mắc đô'i song với công tắc được kích đóng.
- Dạng dòng điện được xác định dựa trên phương trình mạch tải. Ví dụ đốì với tải đôi xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải it1 it2, it3
ut1 = R.it1 + L.dit1 dt ut2 = R.it2 + L.dit2 dt ut3 = R.it3 + L.dit3 dt
- Thời gian chết (dead- time): là khoảngthời gian cần thiết áp đặt trong giản đồ đóng ngắt cặp linh kiện cùng pha tải, trong khoảng thời gian này hai công tắc cùng pha tải sẽ bị khóa kích (ví dụ S1,S4). Thời gian chết bắt đầu quá trình chuyển mạch của hai công tắc cùng pha tải để tránh xảy ra hiện tượng ngắn mạch nguồn. Do thời gian chết nhỏ không đáng kể, trong quá trình phân tích hoạt động mạch, ta thường giả thiết bỏ qua giai đoạn này.
142
3. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợicủa sóng hài bậc caoxuất hiện ở phía tải.
Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau
* Một số chỉ tiêuđánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu:
Chỉ sô điều chê (Modulation index) m: được định nghĩa như tĩ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển 6 bước
- Trị hiệu dụng các thành phần phần sóng hài bậc cao dòng điện:
Đại lượng IhRMSphụ thuộc không những vào phương pháp PWM mà còn vào thông sô tải. Để có thể đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải, ta có thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau:
Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nô"i tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng:
143
Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham sô của tải.
Khi sử dụng phương pháp điều khiển 6 bước, độ méo dạng dòng điện có thể xác định bằng giá trị sau:
Để so sánh các phương pháp PWM, có thểsử dụng độ méo dạng chuẩn hóa theo phương pháp 6 bước, lúc đó hệ sôméo dạng dòng điện qui chuẩn cho bởi hệ thức:
Với phương pháp điều chế 6 bước, hệ sô' méo dạng dòng điện bằng 1.
Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng có thể tính theo tích phân của tích vô hướng vector sau đây:
Từ đó, áp dụng công thức tính hệ sô méo dạng d.
Để đánh giá ảnh hưởng từng sóng hài trong phương phápPWM, ta có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện. Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f bằng số nguyên lần (N) tần số sóng hài cơ bản f (tức f = N.f ),hệ sôsóng hài bậc k qui chuẩn, tính qui đổi theo phương pháp 6 bước và cho bởi hệ thức:
Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải.
144
Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta không thể phân tích Fourier phổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện xuấthiện theo biến tần số liên tục. Trường hợp này, ta có thể sử dụng khái niệm phổ mật độ dòng điện theo hệ thức:
* Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Sin (Sin PWM):
Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng công tắc 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 sóng điều chế- modulating signal) dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur >up ). Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng.
145
Hình 5.5
Sóng mang upcó thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt càng nhiều. Tuy nhiên, tần sốđóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng tonvà ngắt toffnhất định. Các yếu tốnày 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 được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó.
Gọi mf.là tỉ sô điều chế tần sô (Frequency modulation ratio)
Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đềtổn hao do đóng ngắt lớn
146
Nếu ma < 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
Đốivới bộ nghịch lưu áp một pha:
Ut(1)m = maU
Đốivới bộ nghịch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài cơ bản: Ut(1)m = maU/2
Khi giá trị m >1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến m . Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ởmức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước. Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng.
Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, các thành phần sóng hài bậc cao sẽ được giảm đến cực tiểu nếu giá trị mf được chọn bằng sốlẻ bội ba.
Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang. Lúc đó, ta có:
* Phân tích sóng hài:
Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất hiện trong điện áp tải có thể được thực hiện bằng phân tích chuỗi Fourier. Ớ đây, chu kỳ lấy tích phân Fourier được chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy từng tích phân của từng khoảng được xác định từ các giao điểm của sóng điều khiển và sóng mang dạng tam giác.
147
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 1]- Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008.
[2] Võ Minh Chính, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008
[3] Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện. Cyril W. Lander
[4] Nguyễn Bính: Điện tử công suất. NXB Khoa học kỹ thuật 2005
[5] Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2,
Nxb Khoa học kỹ thuật 2007