Chương 4: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ SẠC ĐIỆN CHO XE ĐIỆN, BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRẠM SẠC ĐIỆN XE ĐIỆN
4.1 Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và bộ chuyển đổi điện áp trạm sạc điện xe điện
4.1.5 Bộ nghịch lưu dòng
Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý.
Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp nguồn cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào (Ld) thường có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục.
a) Nguyên lý làm việc:
Sơ dồ nghịch lưu dòng một pha được trình bày như trên hình (sơ đồ cầu) và hình (sơ đồ có điểm trung tính).
*) Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristor T1, T2
thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3, T4 một góc 1800.
Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn (Ld = ∞), do đó dòng điện đầu vào được san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng dạng dòng điện của nghịch lưu (iN) có dạng xung vuông.
Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồng thời, dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không.
Do iN = iC + iZ = Id = const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp van T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khóa lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó, tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phải và “-” ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu.
Hình 4. 8:Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha
Đến thời điểm (t = t2) người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước. Như vậy, chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristor. Ở thời điểm t1, khi mở T3, T4, tiristor T1, T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên.
Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 ÷ t’1 = tk ≥ toff; toff là thời gian khóa của tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển.
ω.tk = β là góc khóa của nghịch lưu.
b) Ảnh hưởng của điện cảm đầu vào Ld đối với chế độ làm việc của nghịch lưu:
Dòng điện vào của nghịch lưu (id) ảnh hưởng lớn đối với chế độ làm việc của nó. Dòng đầu vào phụ thuộc vào giá trị của điện cảm Ld.
Hình 4. 9: Ảnh hưởng của điện cảm Ld đối với chế độ làm việc của nghịch lưu.
a) Ld = ∞; b) Ld hữu hạn nhưng dòng Id là liên tục; c) Dòng Id gián đoạn.
Nếu điện cảm vào đủ lớn, dòng điện được san phẳng, nguồn vào thực chất là nguồn dòng. Dạng dòng qua tiristor là dạng xung chữ nhật, do đó dòng điện của nghịch lưu cũng là dạng xoay chiều dạng xung chữ nhật, và thời gian khóa (tk) của nghịch lưu là lớn nhất. Khi điện cảm đầu vào chiếm một giá trị trung bình nào đó mà vẫn đảm bảo dòng là liên tục, lúc này dạng sóng điện nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hòa bậc cao. Dạng điện áp gần với hình sin hơn, nhưng thời gian khóa của tiristor bị giảm xuống.
Khi dòng điện vào là gián đoạn, giá trị điện cảm không đủ để duy trì nguồn là nguồn dòng thì thời gian tk là bé nhất.
Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch của tiristor. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn luôn đảm bảo là nguồn dòng.
c Ảnh hưởng của phụ tải đối với với chế độ làm việc của nghịch lưu:
Ta xét trường hợp Ld = ∞ (điện cảm vô cùng lớn).
Hình 4. 10: a) Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha.
b) Ảnh hưởng của tải đối với điện áp.
Ta có phương trình của điện áp trên tải:
Ut= E . ( 1+ e
− T 2 .Rt.C
−2 e
− t 2.Rt.C)
( 1+ e
− T
2Rt.C) − 4 Rt. C T . ( 1−e
− T 2.Rt.C)
.
Từ phương trình trên ta thấy điện áp trên tải biến thiên theo quy luật hàm mũ cơ số e. Khi thay đổi phụ tải như giảm dòng tải, dòng qua tụ sẽ ít thay đổi vì
duC dt =IC
C=const
(nguồn dòng), do đó điện áp trên tải sẽ có dạng là những đường gần tuyến tính (đường 1 trên hình 2.10b), góc khóa β = ω.tk ≈ π/2., với tk là thời gian khóa của nghịch lưu.
Nghịch lưu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải, vì nếu Rt →
∞ thì Ut → ∞ và id → ∞. Trên thực tế khi Rt lớn vô cùng thì điện áp trên tải cũng tiến đến giá trị rất lớn, do đó quá trình chuyển mạch không thể thực hiện được, cũng như không có thiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn như vậy.
Ngược lại, khi tăng phụ tải (tương đương với việc giảm giá trị Rt), lúc này dòng nạp cho tụ sẽ giảm, ngược lại dòng phóng của tụ qua tải sẽ tăng lên. Điều đó dẫn đến giảm năng lượng tích trữ trong tụ, dạng điện áp trên tải sẽ có dạng gần với hình chữ nhật, nhưng góc β cũng giảm đáng kể và ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch của nghịch lưu (đường 2 hình 1.3 b).
Thời gian tk là thời gian duy trì điện áp ngược đặt lên tiristor. Góc khóa β của nghịch lưu phụ thuộc vào tần số, phụ tải và tụ chuyển mạch.