2.1.1. Khái niệm chung
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều.
Sơ đồ cấu trúc thường gặp của một bộ chỉnh lưu hình 2.1:
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu
Trong đó:
- MBA: Máy biến áp, chuyển điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều thành điện áp xoay chiều phù hợp với yêu cầu của tải. Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha yêu cầu của mạch van.
- MV: Mạch van, là các van bán dẫn được mắc với nhau theo một cách nào đó để thực hiện quá trình chỉnh lưu.
- ML: Mạch lọc, nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu.
2.1.2. Phân loại
Bộ chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:
a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu: có bộ chỉnh lưu một pha, hai pha, ba pha, sáu pha.
b) Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch chỉnh lưu:
- Mạch van dùng toàn Diot: Mạch chỉnh lưu không điều khiển.
- Mạch van dùng toàn Tiristor hoặc BJT hoặc MOSFET hoặc IGBT: Mạch chỉnh lưu có điều khiển. Thực tế chủ yếu dùng loại van là Tiristor.
- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại Diot và Tiristor: Mạch chỉnh lưu bán điểu khiển. P~ U1~ P~ U2~ P= Ud, Id P= Ud, Id MBA MV ML
26
2.1.3. Các tham số chỉnh lƣu
Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu: a) Điện áp ra trung bình Ud 2 0 0 1 1 ( ) ( ) 2 T d d d U u t dt u d T (2.1)
Trong đó: Ud là giá trị trung bình của điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu. b) Dòng điện ra trung bình Id 2 0 1 ( ) 2 d d I i d (2.2) Trong đó: Id là giá trị trung bình của dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu. - Công suất một chiều của bộ chỉnh lưu:
Pd = Ud*Id
(2.3) c) Các tham số của van bán dẫn
- Itbv: Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua một van của mạch động lực bộ biến đổi.
- Ung max: Giá trị điện áp ngược cực đại đặt lên van khi làm việc.
Đây là những thông số quan trọng để chọn van bán dẫn phù hợp để van không bị hỏng khi hoạt động.
d) Tham số nguồn xoay chiều cấp cho bộ chỉnh lưu
1 2 d 2 ba s d S S S K P (2.4) Trong đó: - S1 = U1*I1 - 2 2 2 1 m i i i S U I
Với: U1, I1, U2i, I2i là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. m là số cuộn dây phía thứ cấp của máy biến áp.
27
Pd là công suất một chiều của bộ chỉnh lưu. Ksd là hệ số, hệ số này càng gần 1 thì bộ chỉnh lưu có hiệu suất càng tốt.
Hệ thống HVDC làm việc với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha nên dưới đây ta chỉ đi sâu nghiên cứu về sơ đồ này.
2.1.4. Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu (Chỉnh lƣu cầu ba pha dùng Thyristor)
Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thysirtor
Quan sát hình 2.2 ta thấy chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 thysirtor chia thành 2 nhóm Catot chung: T1, T3, T5; nhóm Anot chung: T2, T4, T6.
Với giản đồ điện áp, dòng điện bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thysirtor ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ trong hơn một chu kỳ như sau:
- Trong khoảng 5 6 hai van T4 và T5cùng dẫn dòng: iT 1= 0; iT 2= 0; iT 3= 0; iT 4=id=Id; iT 5= id=Id; iT 6 = 0 ; ud = uc- ua= uc a; uT 1= ua c; uT 2= ua c;
uT 3= ub c; uT 4= 0; uT 5= 0; uT 6 = ua b;
- Trong khoảng 6 7 hai van T5và T6 cùng dẫn dòng: iT 1= 0; iT 2= 0; iT 3= 0; iT 4= 0; iT 5= id=Id; iT 6 = id=Id;
ud = uc- ub= uc b; uT 1= ua c; uT 2= ub c; uT 3= ub c; uT 4= ub a; uT 5= 0; uT 6= 0
- Trong khoảng 1 2 hai van T1 và T6 cùng dẫn dòng:
t4 t5 a c b t1 t2 t3 ed ld rd t6 ud
28
iT 1= id=Id; iT 2= 0; iT 3= 0; iT 4= 0; iT 5= 0; iT 6 = id=Id; ud = ua- ub= ua b; uT 1= 0; uT 2= ub c;
uT 3= ub a; uT 4= ub a; uT 5= uc a; uT 6 = 0;
- Trong khoảng 2 3 hai van T1và T2 cùng dẫn dòng: iT 1= id=Id; iT 2= id=Id; iT 3= 0; iT 4= 0; iT 5= 0; iT 6 = 0; ud = ua- uc= ua c; uT 1= 0; uT 2= 0;
uT 3= ub a; uT 4= uc ; uT 5= uc a; uT 6 = uc b
- Trong khoảng 3 4 hai van T2và T3 cùng dẫn dòng: iT 1= 0; iT 2= id=Id; iT 3= id=Id; iT 4= 0; iT 5= 0; iT 6 = 0 ;
ud = ub- uc= ub c; uT 1= ua b; uT 2= 0; uT 3= 0; uT 4= uc a; uT 5= uc b; uT 6 = uc b
- Trong khoảng 4 5 hai van T3và T4 cùng dẫn dòng: iT 1= 0; iT 2= 0; iT 3= id=Id; iT 4= id=Id; iT 5= 0; iT 6 = 0 ud = ub- ua= ub a; uT 1= ua b; uT 2= ua c
uT 3= 0; uT 4= 0; uT 5= uc b; uT 6 = ua b
Và từ 7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như 1. Một số biểu thức tính toán Ud =Udo. cosα với 2 3 6 . do U U (2.6) 3 I ITtb d , 3 I I ITtbm ax Ttb d (2.7) 2 max ng max th U 6U U (2.8)
Công suất tính toán máy biến áp:SttBA 1,05.Ud.Id
Ta có giản đồ điện áp và dòng điện như hình 2.3:
29 ud u uT4 uT5 uT6 0 uT1 0 uT3 uT2 uT1 0 0 0 0 0 0 0 uab uac
Hình 2.3: Giản đồđiện áp, dòng điện bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thysirtor
2.1.5. Mạch điều khiển bộ chỉnh lƣu
Đối với chỉnh lưu Thysirtor thì mạch điều khiển có vai trò rất quan trọng vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Thysirtor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anot và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thysirtor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thysirtor do thông số của mạch động lực quyết định.
30
2.1.5.1. Các hệ điều khiển chỉnh lưu
Có hai hệ điều khiển chỉnh lưu:
Hệ đồng bộ: Trong hệ này góc điều khiển mở van α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Ví dụ trong chỉnh lưu một pha điểm mốc này thường lấy qua điểm không của điện áp lực. Vì vậy trong mạch điều khiển phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng pha để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực.
Hệ không đồng bộ: Trong hệ này góc α không xác định theo điện áp lực mà được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào góc điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đấy. Do đó mạch điều khiển dạng này không cần khâu đồng bộ. Tuy nhiên để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín, không thể thực hiện với mạch hở.
Hệ đồng bộ có nhược điểm nhậy nhiễu lưới điện vì có khâu đồng bộ liên quan đến điện áp lực, nhưng có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện.
Ngược lại, hệ không đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kém ổn định. Hiện nay đại đa số các mạch điều khiển chỉnh lưu thực hiện hệ đồng bộ, vì vậy dưới đây chỉ đề cập đến hệ này.
2.1.5.2. Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ
Để điều chỉnh góc mở của các Thysirtor trong nửa chu kỳ điện áp dương, ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arcos.
a, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính (hình 2.4): Theo nguyên tắc này, người ta dùng 2 điện áp: Điện áp đồng bộ (Uđb), đồng bộ với điện áp đặt trên cực A-K của Thysirtor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển (Uđk) là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh.
=> Lúc này hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:
Uss = Uđk – Uđb (2.9)
31
Mỗi khi Uđk = Uđbthì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sườn xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh. Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái ổn định tạo ra một xung điều khiển.
Như vậy, bằng cách làm biến đổi Uđk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều khiển góc mở α của Thysiror.
Giữa góc α và Uđkcó quan hệ sau: α = πUđk/Uđb(người ta lấy Uđkmax=Uđb)
Hình 2.4: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
b, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos (hình 2.5): Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng 2 điện áp. Điện áp điều khiển Uc là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng (âm và dương). Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp A-K của Thysirtor một góc bằng π/2 (nếu uak = Asinωt thì ur = Bcosωt).
Hình 2.5: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccor
Trên hình 2.5 đường nét đứt là điện áp A-K của Thysirtor. Từ điện áp này người ta tạo ra ur. Tổng đại số ur + uc được đưa tới đầu vào của khâu so sánh. Khi ur
+ uc= 0 thì ta nhận được một xung đầu ra của khâu so sánh. uc=Bcosα =0
32 Do đó, α=arcos(-uc/B) (người ta lấy B = ucmax)
Khi uc=0 thì α=π/2 Khi uc=ucmax thì α=π Khi uc=-ucmax thì α=0
Như vậy khi uc biến thiên từ -uc đến +ucthì α biến thiên từ 0 đến π
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi chất lượng cao.
Điều khiển Thysirtor trong chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính (hình 2.6).
Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu
2.1.5.3. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
Ta có sơ đồ khối mạch điều khiển Thysistor như hình 2.7 và sơ đồ tổng quan về một kênh điều khiển Thysirtor hình 2.8.
Hình 2.7: Sơ đồ khối mạch điều khiển Thysirtor
33
- Khâu đồng bộ (ĐB): Tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp A-K của Thysirtor cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thysirtor cần mở.
- Khâu so sánh – tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ thường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở Thysirtor.
- Khâu khuếch đại (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thysirtor. Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α thay đổi.
Hình 2.8: Sơ đồ tổng quan về một kênh điều khiển Thysirtor
2.2. Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lƣu 2.2.1. Giới thiệu chung 2.2.1. Giới thiệu chung
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện, rất nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh được giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra. Có một số thiết bị biến đổi thực hiện được nhiệm vụ này, nhưng phổ biến nhất là các BBĐ một chiều-xoay chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển mà người thường gọi theo một tên khác là sơ đồ nghịch lưu.
2.2.2. Phân loại
Tùy theo đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện mà ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu
34
tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lƣu cầu ba pha
Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu mang tính thuận nghịch, vai trò của chúng phụ thuộc vào góc mở α, bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trả năng lượng về lưới.
Xét bộ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện hình 2.9.
Hình 2.9: Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từlưới điện.
Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha gồm 6 Thysistor chia làm hai nhóm:
- Nhóm katot chung: T1, T3, T5 nối với cực âm của bộ nghịch lưu - Nhóm anot chung: T2, T4, T6 nối với cực dương của bộ nghịch lưu
35
Hình 2.10: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu cầu ba pha cung cấp từlưới điện
Các thysistor thuộc nhóm anot sẽ làm việc với những giá trị dương của điện áp pha, những điện áp này tương ứng với phần trên của hình sin trên đồ thị điện áp. Nhóm thysistor katot làm việc với những phần âm của hình sin trên đồ thị điện áp.
Thysistor kế tiếp sẽ dẫn điện với góc sớm pha β tính ở bên trái giao điểm của các phần dương của hình sin đối với nhóm anot chung, phần âm đối với nhóm katot chung. Quan hệ giữa β và α là: β = π – α.
Một thông số quan trọng trong chế độ nghịch lưu là góc dập tắt γ = β – μ, thể hiện thời gian cần thiết để thysistor phục hồi hoàn toàn lại tính chất khóa của nó để khi phục hồi lại điện áp dương tiếp theo thysistor không bị thông sớm.
Nếu sự thông sớm xảy ra sẽ đảo trạng thái bộ nghịch lưu, dẫn đến ngắn mạch điện áp một chiều và xoay chiều. Thông thường với hệ thống có tần số 50 Hz thì γmin = 180.
Giá trị điện áp thuận cực đại mà mỗi thysistor phải chịu là:
√ (2.10)
Giá trị điện áp trung bình của bộ nghịch lưu:
36 Hoặc
hoặc
Giá trị của dòng điện một chiều:
√
√ (2.13)
2.2.4. Nguyên lý cơ bản của điều khiển nghịch lƣu phụ thuộc
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc cơ bản mạch chuyển đổi dùng cầu chỉnh lưu – nghịch lưu
Quan sát hình 2.11 ta thấy cầu chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo giống nhau, phía chỉnh lưu cho phép dòng công suất đi từ xoay chiều (AC) sang phía 1 chiều (DC), phía nghịch lưu cho phép đi từ DC sang AC. Các bộ biến đổi công suất có chế độ làm việc khác nhau phụ thuộc vào góc điều khiển α. Bộ chỉnh lưu làm việc với góc 00 < α < 900còn bộ nghịch lưu làm việc với góc 900 < α < 1800. Các van Thysirtor làm nhiệm vụ đóng, mở để dẫn dòng khi có xung kích hoạt vào cực điều khiển. Đồng thời điện áp thuận đặt lên 2 cực A và K. Mỗi Thysirtor chỉ dẫn dòng theo 1 chiều duy nhất, chỉ khóa khi đặt 1 điện áp ngược lên 2 cực A và K và dòng về 0.
• Nếu < 900 điện áp UCL > 0 năng lượng cấp từ nguồn xoay chiều đến nguồn một chiều (hình 2.12)
37
Hình 2.12: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 300
• Nếu > 900 điện áp UCL < 0 năng lượng cấp từ nguồn một chiều đến nguồn xoay chiều (hình 2.13)
38
Hình 2.13: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 1500
2.2.4.1. Hệ số công suất cosφ
Chỉ khi bộ biến đổi tiêu thụ công suất phản kháng có 1 hệ số công suất liên quan với bộ biến đổi ở phía xoay chiều. Nó có thể tính toán như sau