Nghịch l u áp là thi t b bi n đổi ngu n áp m t chi u thành ngu n áp xoay ư ế ị ế ồ ộ ề ồ chiều ba pha với tần số tuỳ ý.
Trên thực tế thì nghịch lưu nguồn áp được sử dụng khá ph bi n. i n áp ra ổ ế Đ ệ của nghịch lưu áp có thể đ ều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được i sóng đ ềi u hoà bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn ch trong ứng dụng vì công ế suất của các van động lực đ ềi u khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng thyristor khiến cho hiệu suất của bộ ế bi n đổi gi m, s đồ i u ả ơ đ ề khiển phức tạp.
Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở nên lớn và có kích thước gọn nh , do ó ngh ch l u áp tr thành b bi n đổi thông dụng và ẹ đ ị ư ở ộ ế được chuẩn hoá trong các b ngh ch l u công nghi p. Do ó sơộ ị ư ệ đ đồ ngh ch l u áp s ị ư ử dụng van đ ều khiển hoàn toàn. i
Hình 2.4. Sơ đồ ngh ch lưu áp một pha ị
Hình 2.5. Sơ đồ ngh ch lưu áp ba pha ị
Nghịch lư đ ệu i n áp có đặc đ ểi m: dạng i n áp ra tải được định hình sẵn, còn đ ệ dạng dòng đ ện tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn cấp đ ệi i n cho nghịch lưu đ ệi n áp ph i là ngu n s c i n động l n v i nội trở nhả ồ ứ đ ệ ớ ớ ỏ ế.N u sử dụng ch nh l u làm ỉ ư nguồn cho nghịch lưu đ ệi n áp cần phải mắc thêm một tụ đ ệ i n C0 ở đầu vào nghịch lưu để một m t đảm b o i n áp ngu n ít thay đổi, mặặ ả đ ệ ồ t khác để trao đổi công su t ấ phản kháng với đ ệi n cảm tải (với tải RL hoặc động c i n). i n áp ra c a nghịch ơ đ ệ Đ ệ ủ
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
lưu đ ện áp không có dạng hình sin nhưi mong muốn, mà đa số là dạng xung chữ nhật.
Các van bán dẫn trong nghịch lư đ ệu i n áp có thể là thyristor hoặc các loại transito (bipolar, MOSFET, IGBT). Các bộ ngh ch l u ngu n áp m t pha ị ư ồ ộ được s ử dụng trong các ứng dụng công suất thấp và các bộ nghịch l u ngu n áp 3 pha được ư ồ sử dụng trong các ứng d ng công su t trung bình và cao. M c ích chính c a các b ụ ấ ụ đ ủ ộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cung c p m t ngu n áp 3 pha v i biên độ, pha và t n ấ ộ ồ ớ ầ số củ đ ệa i n áp có th i u khi n được. M c dù h u h t các ng d ng đều òi h i ể đ ề ể ặ ầ ế ứ ụ đ ỏ dạng sóng đ ện áp hình sin (ASDs, UPSs, FACTS, VACs), nhưng các đ ện áp bất i i kỳ cũng được yêu c u trong m t s ng d ng (ví d : các b lọầ ộ ố ứ ụ ụ ộ c tích c c, các b bù ự ộ đ ệi n áp).
Các sơ đồ nghịch lư đ ệu i n áp phần lớn có dạng tương t nhự ư ở mạch ch nh ỉ lưu, thông dụng nhất là các sơ đồ cầu.Vì v y dưới ây ch yếậ đ ủ u s xem xét ngh ch ẽ ị lưu đ ện áp sơ đồ cầi u dùng van i u khi n hoàn toàn. Khi nghiên c u ngh ch l u đ ề ể ứ ị ư đ ệi n áp ta s coi các van là lý tưởng. ẽ
• Ư đ ểu i m c a b ngh ch l u ngu ồn áp: ủ ộ ị ư
Bộ ngh ch l u ngu n áp nh chúng ta được bi t là khá thông d ng là do b ị ư ồ ư ế ụ ộ nghịch lưu loại này có một số ư đ ể u i m sau:
- Đ ệi n áp và dòng ra được i u khi n g n d ng sin h n. đ ề ể ầ ạ ơ
- Đ ềi u ch nh i n áp ra d dàng b ng i u ch nh góc m củỉ đ ệ ễ ằ đ ề ỉ ở a ch nh l u và b ng ỉ ư ằ đ ềi u ch nh kho ng d n c a van, ho c bằng các phương pháp đ ềỉ ả ẫ ủ ặ i u chế thích hợp.
- Có kh nả ăng làm việc ở chế độ không tải.
- Do sử dụng các t làm m ch lọc nguồn nên bộụ ạ nghịch lưu loại này có kích thước nhỏ gọn h n ngh ch l u ngu n dòng. Không có t n hao trong cu n kháng l c ơ ị ư ồ ổ ộ ọ nguồn.
• Tuy nhiên, ngoài những ưu đ ểi m trên thì nghịch lưu áp cũng có nhược đ ểi m sau:
- Dòng đ ệi n và i n áp v n ch a nhi u thành ph n sóng hài t n s cao. đ ệ ẫ ứ ề ầ ầ ố - Dễ ị b ngắn mạch pha nếu không khoá van bán dẫn hợp lý.
-Với những hệ yêu cầu cao về đ ề i u chỉnh tốc độ thì bộ nghịch lưu này khó đáp ứng được do kh n ng chuy n m ch c a van bán dẫn. ả ă ể ạ ủ
2.4. Bộ nghịch lư đu a bậc
Ngày nay,với sự phát triển mạnh mẽ ủ c a khoa h c công ngh thì người ta ã ọ ệ đ có thể chế ạ t o ra các b nghịch lưu đa bậc.Bộ nghịch lưu đa bậộ c s là m t gi i pháp ẽ ộ ả tốt, nó có thể đ áp ng t t nh ng i u ki n t n s kh c khe nh t trong khi công su t ứ ố ữ đ ề ệ ầ ố ắ ấ ấ cao.
Các ư đ ểu i m c a b ngh ch l u a b ậc: ủ ộ ị ư đ
- Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên. Đối vớ ải công suất lớ đ ệi t n, i n áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn.
- Với cùng tần số đ óng ngắt, các thành phần sóng hài b c cao c a i n áp ra ậ ủ đ ệ giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc.
- Đ ệi n áp đặt lên linh ki n b gi m xuốệ ị ả ng nên công su t t n hao do quá trình ấ ổ đóng ng t c a linh ki n c ng gi m theo. ắ ủ ệ ũ ả
Nghịch lư đu a bậc thường được phân loại theo c u trúc s đồ c a nó, thường ấ ơ ủ thì ba dạng phổ biến là:
+ Dạng nghịch lư đ ốu i t kẹp (diode_clamped inverter).
+ Dạng nghịch lưu tụ kẹp (capacitor_clamped inverter) hay t bay (flying ụ capacitor).
+ Dạng nghịch lưu cầu H nối cấp (cascaded H-bridge inverter). 2.4.1. Dạng nghịch lưu kiể đu i ố ẹt k p (diode_clamped inverter)
Nghịch lưu 3 bậc dạng đ ối t kẹp (NPC-Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) được giới thiệu vào n m 1981. ă
Bộ nghịch lưu này có một đ ểm đ ện áp “không” một chiều, nó có khả năng i i chuyển mạch cho các pha đầu ra, do đó để chuyển m ch ạ được thì m i pha ỗ đầu ra của bộ biến đổi phải đặt lên một trong ba m c i n áp. L i ích chính c a c u trúc ứ đ ệ ợ ủ ấ này đó là mỗi khoá chỉ phải chịu một nửa đ ệi n áp một chiều. Tuy nhiên ở đ ây có mộ ất v n đề mới xu t hiện là phải đảm bảo cân bằng đ ệấ i n áp trên các tụ kế ố ớt n i v i nguồn một chiều.
Hình 2.6. Nghịch lưu 3 bậc dạng i t kẹp đ ố
Một gi i pháp đơn giảả n là m i t nố ớỗ ụ i v i m t ngu n m t chiềộ ồ ộ u riêng r . M t ẽ ộ phương pháp khác để cân bằng đ ệi n áp trên các tụ là đ ềi u khiển ph n h i. Sau đó, ả ồ dạng này đã được mở rộng thành dạng bộ nghịch lưu bậc cao hơn như bên dưới:
_ + _ C a b c C Vdc _ + +
Hình 2.7. Nghịch lưu 4 bậc dạng i t kẹp đ ố Hình 2.8. Nghịch lưu 6 bậc dạng i t kẹp đ ố 0 + - Vdc + - C + - C C - + a b c C C C C C a b c + _ EN
Sử dụng thích h p khi các ngu n DC t o nên t hệợ ồ ạ ừ th ng i n AC. B ố đ ệ ộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặ đ ốp i t kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số ấ đ ệ c p i n áp nhỏ ơ h n nhờ chuỗi các tụ đ ệ i n mắc n i tiếp. ố
Giả ử s nhánh mạch DC gồm n ngu n có độ l n b ng nhau m c n i tiế Đ ệồ ớ ằ ắ ố p. i n áp pha – nguồn DC có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đ ó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ chọn mức đ ệi n thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức đ ệi n áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U, ..., nU). Đ ệi n áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch DC (ví dụ M) nhờ cặ đ ốp i t kẹp tại đ ểm đó (ví dụi D1, D1’). Để đ ện áp pha nguồn DC i đạt được mức đ ện áp i nêu trên (Ua0 = U), tất cả các linh kiện bị “kẹp” giữa hai đ ối t(D1, D1’) –gồm n linh kiện nối tiếp liên tục kề nhau, ph i ả được kích óng (ví d S1, S5’, S4’, S3’, S2’), đ ụ các linh kiện còn lại sẽ bị khóa theo qui t c kích ắ đối ngh ch. Tương ng v i 6 ị ứ ớ trường hợp kích đóng linh kiện “bị kẹp” gi a 6 c p i t (hai c p i t“k p” hai v ữ ặ đ ố ặ đ ố ẹ ở ị trí biên là trường hợp đặc biệt), ta thu được 6 mứ đ ệc i n áp pha - ngu n DC ồ 0,U,2U,...,5U. Vì có khả năng t o ra 6 m c i n áp pha ngu n DC nên m ch ngh ch ạ ứ đ ệ ồ ạ ị lưu trên hình 2.8 còn gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc.
Dạng m ch ngh ch l u áp a bậạ ị ư đ c dùng c p i t k p c i ti n d ng sóng i n ặ đ ố ẹ ả ế ạ đ ệ áp tải và giảm shock đ ệi n áp trên linh kiện n lần.V i bộớ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và t n số đầ óng ng t gi m i m t n a.Tuy nhiên với n>3, mức độ chịu ắ ả đ ộ ử đ ệi n áp trên các i t s khác nhau.Ngoài ra, cân bằđ ố ẽ ng i n áp gi a các nguồn DC đ ệ ữ (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc bi t khi số ậệ b c lớn.
• Ư đ ểu i m c a ngh ch l u b c d ng diode_clamped: ủ ị ư ậ ạ - Số ụ đ ệ t i n là ít, nhưng phải thêm đ ối t kẹp trong sơ đồ. - Có thể ử ụ s d ng một nguồn áp DC.
- Dạng mạch nghịch l u áp a b c dùng c p i t k p c i ti n d ng sóng i n áp t i ư đ ậ ặ đ ố ẹ ả ế ạ đ ệ ả và giảm shock đ ệi n áp trên linh kiện n lần.
cũng tồn tại nhược đ ểm : i
- Khi bộ nghịch lưu có bậc lớn hơn 3 thì đ ệi n áp mà đ ối t kẹp ph i ch u ả ị đựng là VDC(n-2)/(n-1) cao. Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết n i nố ối tiếp các đ ối t.
- Vấn đề không cân bằng đ ệi n áp các tụ đ ệ i n ở bộ ngh ch l u a b c d ng này có ị ư đ ậ ạ thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt, đặc biệt là khi số ậ ớ b c l n. 2.4.2. Nghịch lưu kiểu tụ ẹ k p (Capacitor Clamped Inverter)
Hình 2.9.Sơ đồ c u trúc nghịch lưu dạng tụ ẹấ k p 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
Nghịch l u a m c d ng t kẹư đ ứ ạ ụ p hay còn g i là ngh ch l u a m c ki u t ọ ị ư đ ứ ể ụ bay. Cấu trúc này cũng cho phép tạo ra đ ệi n áp có nhiều mức nhưng thay vì dùng đ ối t k p thì c u trúc này s dụẹ ấ ử ng các t i n được x p l p lên nhau mà không có ụ đ ệ ế ớ các đ ối t kẹp.Chúng tạo nên các tế bào dùng tụ chuyển mạch ghép nối tiếp.Cấu trúc này có một số đặc đ ểi m chú ý khi so sánh v i c u trúc ngh ch l u i t k p. Ngoài ớ ấ ị ư đ ố ẹ đặc đ ểi m không dùng i t k p nh ã nói thì quan tr ng nh t là c u trúc này còn có đ ố ẹ ư đ ọ ấ ấ các tổ hợp logic chuy n mạch thừa ra trong mỗi pha mà chúng có thể được sử dụng ể để cân bằng i n áp các t i n đ ệ ụ đ ệ để nghịch l u ch phả ửư ỉ i s dụng m t nguồộ n m t ộ chiều duy nhất. Mỗi pha có 2.(N-1) khoá tích cực và (N-2) tụ, với N là số mức c a ủ song đ ệi n áp UxM. Đ ệi n áp ngõ ra là kết hợp của các tụ đ ệ i n được mắc nối tiếp trên s ơ đồ.
Hình 2.10. Nghịch lưu 3 bậc dạng tụ ẹ k p
Cấu trúc c a b ngh ch l u 3 b c d ng Capacitor Clampednh hình ủ ộ ị ư ậ ạ ư 2.10.Mạch bao gồm mười hai khoá tích cực có đ ối t mắc song song ngược và ba tụ bay. Ý tưởng chung ở đ ây là mỗi tụ bay được nạp tới một nửa đ ệi n áp m t chi u. ộ ề Các tụ này có thể ố n i nối tiếp với pha để tăng hoặc giả đ ệm i n áp này.
Các đặc đ ểi m c a b ngh ch l u a b c d ng capacitor_clamped: ủ ộ ị ư đ ậ ạ
- Nhược đ ểi m chính của bộ nghịch lư đu a b c dậ ạng này là s lượng t i n trong ố ụ đ ệ
+ + - Vdc C c b a C1 C1 C1 -
s ơ đồ là nhiều.
- Mỗi nhánh có th được phân tích ể 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 đ ệi n áp ba pha ngõ vào. ở
- Giá trị các tụ đ ệ i n cao dần từ ụ ớ t l p trong cùng tới tụ ớ l p ngoài cùng. Ví dụ Cf2
= 2.Cf1.
2.4.3. Nghịch lư đu a bậc dạng cascade
Cấu trúc ngh ch l u a b c d ng Cascade xu t hiện lần đầu vào năm 1975, sử ị ư đ ậ ạ ấ dụng nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha mắc nối tiếp.
Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghịch lưu y đầ đủ một pha n i ố tiếp nhau, và mỗi cầu ngh ch l u này s dụị ư ử ng m t ngu n áp DC ộ ồ độc lập. Thông thường nguồn DC này được lấ ừy t máy bi n áp có nhi u cu n dây th cấế ề ộ ứ p độc l p, ậ hoặc từ nhiều biến áp riêng biệt.Sử dụng các ngu n DC riêng, thích h p s dụng ồ ợ ử trong trường hợp nguồn DC có sẵn ví dụ dưới dạng c quy, battery. ắ
Hình 2.11. Nghịch lư đu a bậc dạng Cascade a b c + + + + + + - - - - - - C1 C1 C1 C1 C1 C1
Hình 2.12. Nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade
Bằng cách kích óng các linh ki n trong m i b ngh ch l u áp m t pha, 3 đ ệ ỗ ộ ị ư ộ mức đ ện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp i trên một nhánh pha tải sẽ ạ t o nên n khả ă n ng mứ đ ệc i n áp theo chi u âm (-U, -2U, -ề 3U, ..., -nU), n khả năng m c i n áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, ..., nU) và mức ứ đ ệ đ ệi n áp 0. Nh v y, bộ nghư ậ ịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành b ngh ch l u (2n+1) b c. T n s óng ng t trong mỗi ộ ị ư ậ ầ ố đ ắ modul của dạng mạch này có thể giả đm i n lần và dv/dt c ng gi m i nh vậ Đ ệũ ả đ ư y. i n áp trên áp đặt lên các linh kiện giả đm i 0,57n lần.Cho phép sử ụ d ng linh kiện IGBT đ ệi n áp th p. ấ
Ngoài dạng mạch gồm các b ngh ch l u áp m t pha, m ch ngh ch l u a ộ ị ư ộ ạ ị ư đ bậc Cascade còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp 3 pha (hình 2.13). Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng đ ện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy i nhiên, cấu tạo mạch òi hỏi sử ụđ d ng các máy bi n áp ngõ ra. ế
+- - + Va0 Vdc Vdc
Hình 2.13. Nghịch lư đu a bậc Cascade dạng ghép các bộ nghịch lưu áp 3 pha Các đặc đ ểi m c a b ngh ch l u a b c d ng cascaded inverter: ủ ộ ị ư đ ậ ạ
- Dạng b nghộ ịch lưu này là không cần thêm đ ối t hay tụ đ ệ i n như ộ b nghịch lưu đa b c d ng Diode_clamped, tuy nhiên số ậ đ ệậ ạ b c i n áp ngõ ra cũng tương tự.
- Số bậ đ ệc i n áp có th tăng lên dễể dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu nghịch lưu vào.
- Bộ nghịch lưu dạng cascade lại cần nhiều nguồn DC độc lập trên mỗi bộ nghịch lưu, trong khi dạng Diode_clamped thì có thể chỉ cần một nguồn DC.