III. Bộ nghịch lưu
2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha
2.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI)
Hình 3.8 cho ta thấy dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Bộ nghịch lưu này tương tự với bộ nghịch lưu bán cầu, tuy nhiên, một nhánh thứ hai cung cấp điểm trung tính cho tải. Như ta đã biết, cả hai công tắc S1+ và S1- (hoặc S2+ và S2-) không thể cùng dẫn đồng thời vì sẽ dẫn đến sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi. Có 4 trạng thái đóng ngắt xác định (1, 2, 3 và 4) và một trạng thái đóng ngắt không xác định như trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha toàn cầu
Điều kiện không xác định nên được tránh để điện áp ngõ ra xoay chiều luôn có thể xác định được. Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn một chiều (dc bus) và trạng thái không xác định của điện áp ngõ ra xoay chiều, kỹ thuật điều chế nên đảm bảo rằng cả công tắc ở trên hay ở dưới của mỗi nhánh đều không cùng dẫn tại bất cứ thời điểm nào. Ta có thể thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đạt đến giá trị tối đa là điện áp liên kết một chiều vi, và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu áp bán cầu.
Một số kỹ thuật điều chế được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Trong số đó là các kỹ thuật PWM (lưỡng cực (bipolar) và đơn cực (unipolar).
2.2.1 Kỹ thuật PWM lưỡng cực
Các trạng thái 1 và 2 (bảng 3.2) được dùng để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều trong phương pháp này. Vì vậy, các đặc điểm của dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ có 2 giá trị là vi và –vi . Để tạo ra các trạng thái này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong cấu trúc bán cầu (hình 3.3), chỉ dùng một tín hiệu điều chế dạng sóng sin. Ta nên chú ý là trạng thái đóng của công tắc S+ trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1+ và S2- trong dạng toàn cầu. Tương tự, trạng thái đóng của công tắc S- trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1- và S2+ trong dạng toàn cầu. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin lưỡng cực. Dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu về cơ bản là dạng sóng sin, biên độ của thành phần cơ bản o1 thỏa biểu thức sau trong vùng tuyến tính của kỹ thuật điều chế (ma ≤ 1), và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu.
(3.15)
Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) biên độ của thành phần cơ bản o1thỏa biểu thức sau:
(3.16)
Trái với phương pháp lưỡng cực, kỹ thuật PWM đơn cực dùng các trạng thái 1, 2, 3, và 4 (bảng 3.2) để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều. Vì vậy, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đồng thời đạt được một trong 3 giá trị: vi, -vi, và 0. Để tạo ra các giá trị này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong hình 3.9, bằng cách dùng 2 tín hiệu điều chế dạng sóng sin (vc và –vc ). Tín hiệu vc được dùng để tạo ra vaN, và –vc được dùng để tạo ra vbN. Vì vậy, vbN1 = -vaN1. Mặt khác, vo1 = vaN1 – vbN1 = 2* vaN1; vì vậy, o1=2* aN1=ma*vi. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng sóng sin đơn cực.
Các kết quả tương tự có thể được rút ra với biên độ của thành phần cơ bản và các hài của điện áp xoay chiều ngõ ra và dòng điện liên kết một chiều, và với các chế độ hoạt động tại các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf, (bao gồm vùng ngoài điều chế (ma > 1)), cao hơn so với các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu sử dụng phương pháp SPWM lưỡng cực. Tuy nhiên, bởi vì các điện áp pha (vaN và vbN) bằng nhau nhưng lệch pha nhau 180o, điện áp ngõ ra (vo = vab = vaN – vbN) sẽ không chứa các hài chẵn. Vì vậy, nếu mf là chẵn, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh lẻ quanh 2 lần sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó. Cụ thể là: h = lmf ± k, l= 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … và các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện tại các tần số chuẩn fp xung quanh 2 lần tần số sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó. Cụ thể là: p = lmf ± k ± 1, l = 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … Đặc điểm này được xem như là một ưu điểm bởi vì nó cho phép sử dụng các thành phần của bộ lọc nhỏ hơn để đạt được dạng sóng điện áp và dòng điện có chất lượng cao với cùng tần số đóng ngắt như các bộ nghịch lưu nguồn áp sử dụng phương pháp lưỡng cực.
a. Sự loại trừ hài có chọn lọc
Trái với các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu, phương pháp này được áp dụng cho mỗi loại dây (per- line fashion) cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ. Hơn nữa, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều (vo = vab trong hình 4.8) nên có N xung trên mỗi bán kù để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7 và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản N=4), ta giải quyết các biểu thức sau:
Hình 3.9 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng với kỹ thuật SPWM đơn cực (ma = 0.8, mf = 8): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng thái của công tắc S1+; (c) trạng thái của công tắc S2+; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S1+; (j) dòng diode D1+.
Với các góc 1, 2, 3 và 4 được xác định như trong hình 3.10 (a). Các góc 1, 2, 3 và 4 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 3.11a. Công thức chung để loại trừ một số các hài một cách tùy ý N-1 (N – 1 = 3, 5, 7, …) là
(3.20)
Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Hình 3.10c cho biết một trường hợp đặc biệt chỉ điện áp ngõ ra xoay chiều là được điều khiển. Điều này được biết như là điều khiển ngõ ra bằng sự xóa bỏ điện áp bắt nguồn từ thực tế là sự thực thi của nó có thể đạt được
một cách dễ dàng bằng cách dùng 2 tín hiệu chuyển mạch dạng sóng vuông dịch pha nhau như trong hình 3.12.
Hình 3.10 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 3, 5 và 7 của điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra ac với sự điều khiển cơ bản; (d) chuỗi(phổ) của (c).
Hình 3.11 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản của các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu: (a) sự điều khiển cơ bản và sự loại trừ hài thứ 3, 5, 7; (b) điều khiển cơ bản
Góc dịch pha trở thành 2* 1 (hình 3.11b). Vì vậy, biên độ của thành phần cơ bản và của các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều được cho bởi:
(3.21)
Ta cũng có thể thấy trong hình 3.12c để 1 = 0 thì cần phải đạt được sóng vuông. Trong trường hợp này, điện áp ngõ ra xoay chiều cơ bản theo công thức:
(3.22)
Với điện áp tải cơ bản có thể được điều khiển bằng cách sử dụng điện áp liên kết một chiều.
Hình 3.12 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng ứng với sự điều khiển điện áp bằng sự xóa bỏ điện áp: (a) trạng thái của công tắc S1+; (b) trạng thái của công tắc S2+; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của (c). switch S1. state; (b) switch S2. state; (c)
b. Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)
Vì thực tế là bộ nghịch lưu được xem như là không só sự tiêu tán và được cấu tạo không chứa các linh kiện tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời bằng nhau:
(3.23)
Đối với tải cảm và tần số đóng ngắt khá cao, dòng tải io gần như dạng sin. Với phép toán xấp xỉ, điện áp ngõ ra xoay chiều cũng có thể được xem như là dạng sóng sin. Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều là hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.23) có thể được đơn giản thành:
(3.24)
Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng, Io là dòng điện tải hiệu dụng, và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Vì vậy, dòng liên kết một chiều có thể được rút gọn tiếp thành:
(3.25)
Điều quan trọng cần chú ý là sự có mặt của hài bậc 2 trong dòng liên kết một chiều (biên độ của nó tương tự với dòng liên kết một chiều). Hài thứ 2 này được đưa về nguồn áp dc, vì vậy, khi thiết kế nên xét đến nó để đảm bảo là điện áp liên kết một chiều gần như là cố định. Trong thực tế, nguồn áp dc đòi hỏi có số lượng lớn các tụ điện (chi phí cao, tốn không gian, nhiều đặc tính phức tạp đặc biệt đối với các nguồn cung cấp có công suất trung bình và cao).