Chỉnh lưu có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được

2.4 Chỉnh lưu tích cực

2.4.1 Chỉnh lưu có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được

Chỉnh lưu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, dùng để biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều. Các sơ đồ chỉnh lưu truyền thống sử dụng các van không điều khiển như điôt hoặc điều khiển không hoàn toàn như tiristo, có nhược điểm là dòng đầu vào không có dạng sin và hệ số công suất thấp, ảnh hưởng đến các phụ tải khác trong lưới điện và làm tăng tổn thất trên lưới nói chung. Ngày nay, cùng với sự xuất hiện các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, với khả năng đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao, thì việc xây dựng các bộ chỉnh lưu với dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được đến bằng một, đã hoàn toàn có thể thực hiện được. Đây gọi là các bộ chỉnh lưu tích cực – CLTC. CLTC không hoàn toàn thay thế các chỉnh lưu thông thường nhưng được áp dụng rộng rãi trong các mạch lọc tích cực, các hệ thống truyền tải điện xoay chiều thông minh (Flexible Alternative Current Transmission – FACT), trong các loại bộ nguồn chất lượng cao. Hơn nữa, CLTC còn có khả năng trao đổi công suất giữa tải với lưới theo cả hai chiều nên CLTC cũng là phần đầu vào một chiều cho các biến tần bốn góc phần tư, gọi là biến tần 4Q. Các CLTC đều áp dụng phương pháp biến điều bề rộng xung để điều chỉnh điện áp phía một chiều nên còn gọi là các chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation – PWM).

Có hai loại CLTC là:

- Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào:

PWM Boost Rectifier – BoostRec.

- Chỉnh lưu có điện áp ra nhỏ hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào:

PWM Buck Rectifier – BuckRec.

áp xoay chiều đầu vào sử dụng sơ đồ BoostRec một pha.

2.4.2. Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào sử dụng sơ đồ BoostRec một pha

Sơ đồ chỉnh lưu tích cực có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào cho trên hình 2.2. Trên sơ đồ phần bán dẫn là sơ đồ cầu một pha, gồm các van V1, V2, V3, V4, là các IGBT song song với các điôt ngược.

Giữa đầu vào xoay chiều với điện áp u1 có điện cảm L. Ký hiệu điện áp ngay đầu vào chỉnh lưu là ui. Phía một chiều có tụ C có giá trị đủ lớn để san bằng điện áp uDC. Để tránh nhầm lẫn với các thành phần dòng điện, điện áp trên hệ trục toạ độ 0dq ta ký hiệu các giá trị tức thời phía một chiều qua uDC, iDC.

Hình 2.2. Sơ đồ BoostRec một pha.

Khi các IGBT V1, .., V4 không được điều khiển mở các điôt ngược tạo nên một cầu chỉnh lưu thông thường. Giả thiết rằng tụ một chiều C có giá trị đủ lớn nên điện áp một chiều uDC thay đổi chậm, có thể coi rằng uDC = Ud = const. Với chiều dòng điện xoay chiều i1 và dòng một chiều id như trên hình vẽ ta thấy rằng khi mở V1, V4 dòng i1 sẽ có xu hướng giảm, khi mở V2, V3 dòng có xu hướng tăng. Điều này đúng đối với cả hai chiều cực tính của điện áp xoay chiều đầu vào u1.

  ) sin sin( 1 1 1 m m U t U u   (2.1) Trong đó: 1 1 2U

Um  : giá trị biên độ, U1 là giá trị hiệu dụng:

 = t: góc pha,  = 2f là tần số góc, f: tần số điện áp xoay chiều.

Khi mở V1, V4 ta có phương trình cân bằng điện áp trong mạch điện tương đương là: d U u dt di L 1  1  (2.2) Khi mở V2, V3: d U u dt di L 1  1  (2.3)

Phương pháp điều chế được thực hiện để tạo nên dòng i1 có dạng mong muốn hình sin i1,ref. Muốn vậy, trong thời gian điều chế sau khoảng thời gian t1 dòng có độ tăng  thì tiếp theo phải là một khoảng thời gian t2 dòng có độ giảm , sao cho  , như được minh hóa trên hình 2.3. Từ (2.2), (2.3) suy ra điều nayfchir có thể thỏa mãn nếu Ud ≥ u1 tại mọi thời điểm, nghĩa là điện áp phía một chiều phải cao hơn cả giá trị biên độ của điện áp xoay chiều.

Nếu nhìn ngược từ phía một chiều ra phía xoay chiều có thể nhận thấy rằng điện áp xoay chiều ngay đầu vào chỉnh lưu ui có thể coi như điện áp đầu ra của một nghịch lưu độc lập. Yêu cầu đối với điện áp ui là có tần số sóng hài cơ bản bằng tần số của điện áp lưới. Đây là điều kiện để dòng đầu vào i1 có dạng sin. Thông thường hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo dòng đầu vào trùng pha so với điện áp. Từ đó, nếu chỉ xét đến thành phần sóng hài bậc nhất có thể xây dựng được biểu đồ vectơ như trên hình 2.4.

Hình 2.3. Hình dạng dòng xoay chiều đầu vào qua phép điều chế.

Để tiện cho việc đánh máy ta ký hiệu các vectơ bởi các chữ thường, đậm, không nghiêng. Các chữ hoa, in nghiêng, tương ứng với các chỉ số vectơ, dùng để chỉ độ dài vectơ. Ví dụ, Ui ui;U1  u1; I1 i1 , … Các giá trị trung bình phía một chiều vẫn dùng các ký hiệu thông dụng là Ud,Id.

Từ biểu đồ vectơ viết được quan hệ giữa các thành phần điện áp như sau: 2 2 1 2 L i U U U   Trong đó UL = LI1 . (2.4)

Điện áp ngay đầu vào chỉnh lưu quan hệ với điện áp một chiều qua hệ số biến điệu:

. 1 0 , 2      d i U U (2.5) Hình2.4.Biểu đồ vectơ.

Sơ đồ thường làm việc trong chế độ ổn định điện áp phía một chiều Ud với giá trị lớn hơn biên độ của điện áp xoay chiều đầu vào.

1 1 k 2U kU

Ud  m  , (2.6)

Hệ số k thường chọn k = 1,1 ÷ 1,2 = const.

Kết hợp (2.4), (2.5), (2.6) có thể viết được quan hệ sau:

1 ) ( 2 1 1 U k  LI   (2.7)

Biểu thức (2.7) cho phép đưa ra lựa chọn giá trị điện cảm L, phụ thuộc vào các thông số và chế độ làm việc của sơ đồ. Nếu bỏ qua tổn thất trên các phần tử ta có mối quan hệ cân bằng công suất giữa phía một chiều và xoay chiều

Pd = UdId = U1I1. Nói cách khác là dòng I1 được xác định hoàn toàn bởi công suất đầu ra Pd . Từ (2.7) có thể thấy rằng trong chế độ không tải I1 = 0, suy ra

k

1

min  

 . Khi tải tăng lên dòng I1 cũng tăng, dẫn đến hệ số biến điệu cũng tăng, đén giá trị lớn nhất max 1. Như vậy có thể xác định đện cảm L từ giá trị lớn nhất có thể của dòng tải, ứng với  1. như sau:

1 2 max , 1 1   k I U L  (2.8)

Trong đó I1,max = Pd,max/U1 là dòng đầu vào lớn nhất.

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển.

Hệ thống điều khiển có cấu trúc tiêu biểu cho trên hình 2.5. Trên hình 2.5

Uref là lượng đặt điện áp một chiều. Sai lệch giữa lượng đặt và điện áp phía một chiều Ud đưa đến bộ điều chỉnh điện áp, thường là bộ tỷ lệ, tích phân (PI). Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp đưa đến khâu nhân với điện áp xoay chiều đầu vào đo được tạo nên tín hiệu điều chế xoay chiều cho dòng xoay chiều. Tín hiệu dòng

xoay chiều i1 đo được so sánh với lượng đặt qua khâu so sánh có trễ, tạo nên tín hiệu điều khiển cho các van V1, .., V4.

Tác động của bộ điều chỉnh dòng điện qua khâu so sánh có trễ được giải thích như sau. Giả sử điện áp u1 và dòng i1 xoay chiều đang có cực tính như trên hình 2.5. Khi dòng thật i1 đo được có giá trị vượt qua ngưỡng dòng điện lớn, van V1, V4 được điều khiển mở. Do chiều dòng điện, V1, V4 không dẫn dòng mà dòng chạy qua các điôt D1, D4. Khi đó điện áp một chiều ud sẽ có tác dụng làm giảm dòng điện. Khi dòng i1 giảm xuống đến ngưỡng dòng điện nhỏ, V1, V4 sẽ khoá lại, V2, V3 mở ra. Do tác dụng của điện áp uDC các điôt D1, D4 bị khoá lại, dòng i1 vẫn chạy theo chiều cũ, qua các van V2, V3 dẫn dòng theo chiều thuận. Điện áp uDC đặt ngược lên cuộn cảm L làm dòng tăng lên.

Quá trình xảy ra tương tự khi cực tính điện áp u1 và dòng i1 có chiều ngược lại. Khi đó vị trí của ngưỡng dòng lớn và ngưỡng dòng nhỏ đổi vị trí so với dòng đặt nên vai trò các van đổi cho nhau, cụ thể là V1, V4 mở sẽ làm cho dòng tăng lên, còn V2, V3 mở thì dòng không chạy qua van nhưng giá trị dòng sẽ giảm. Tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện có ngưỡng được mô tả trên hình 2.6

Hình 2.6: Tác động của bộ điều chỉnh dòng điện có ngưỡng.

cắt của các van. Nếu điện cảm lớn, tốc độ thay đổi của dòng chậm, thời gian dẫn của van có thể rất dài, làm xấu đi dạng dòng điện. Ngoài ra, điện cảm lớn có thể làm mất quá trình điều chế, sơ đồ không hoạt động được. Tốc độ thay đổi dòng điện chậm nhất ở khoảng góc pha 90 khi chênh lệch giữa điện áp u1 và udcó giá trị nhỏ nhất. Thời gian dẫn dòng của van cũng phụ thuộc ngưỡng của bộ điều

chỉnh dòng điện  Từ đây ta có điều kiện hạn chế nữa giúp lựa chọn giá trị điện cảm L. Có thể coi gần đúng: x Lt U L I    1 hay L tx I U L    (2.9)

Trong đó tx là độ rộng xung lớn nhất cần hạn chế, UL, I là biên độ thay đổi điện áp và dòng điện trên điện cảm L. UL cógiá trị nhỏ nhất ở thời điểm điện áp xoay chiều đạt giá trị biên độ, bằng chênh lệch giữa m

U1 so với điện áp một chiều Ud, xác định bởi hệ số k từ (2.6). I là giá trị có thể lựa chọn, xuất phát từ yêu cầu về thành phần sóng hài của dòng xoay chiều.

2.5. Kết luận

Qua phân tích và tìm hiểu về bộ PFC (Power Factor Correction) ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suất cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Thực tế hiện nay có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm IC tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power factor correction - PFC). Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn ,em sẽ phát triển ý tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực.

Chương 3

BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG

Bộ biến đổi cộng hưởng đã được nghiên cứu mạnh mẽ vào những năm 80 của thế kỷ trước. Nó có thể đạt được tổn thất chuyển mạch rất nhỏ do kích hoạt mạch cộng hưởng, để hoạt động ở tần số chuyển mạch cao. Trong các bộ biến đổi cộng hưởng thì bộ biến đổi nối tiếp (SRC), bộ biến đổi song song (PRC) và bộ biến đổi nối tiếp song song là những bộ phổ biến nhất. Việc phân tích và thiết kế đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, việc ứng dụng cho bộ Front-end converter sẽ được trình bày dưới đây.