Bài giảng Đện tử công suất - Chương 5: Thiết bị nghịch lưu

Nội dung text: Bài giảng Đện tử công suất - Chương 5: Thiết bị nghịch lưu

1. Chương 5: Thiết bị nghịch lưu
2. 5.1 Khái niệm chung – Phân loại Biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều Phân loại • Theo số lượng pha: -Một pha - Ba pha -Nhiều pha • Theo sơ đồ - Hình cầu - Hình tia • Theo đặc điểm nguồn -Nguồn áp -Nguồn dòng
3. 5.2 Sơ đồ nguyên lý S1S2 S3S4 S1 S2 uZ S1 S3 R 0 uZ θ = ωt U S4 S2 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu cầu một pha uZ S1 S2 S1 S2 S1 Ud S1 Ud R Ud O θ = ωt uZ Ud R S2 uZ Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu tia và bán cầu một pha
4. S1 S2 S3 S1 S3 S5 S4 S5 S6 π 3 S4 S6 S2 Ud uZ1 Ud 2 123 θ = ωt uZ1 uZ2 uZ3 uZ2 Nghịch lưu cầu ba pha tải thuần trở uZ3
5. 5.3 Nghịch lưu áp • Mang tính chất nguồn áp: tạo ra điện áp xoay chiều. Dòng điện đầu ra phụ thuộc vào tải. • Đầu vào của nghịch lưu áp là nguồn điện áp một chiều 5.3.1 Dòng công suất hữu công và phản kháng P = UdId P = Ud.Id p = Ud.id P > 0 Æ Id > 0: c.độ nghịch lưu p1 P < 0 Æ Id < 0: c.độ chỉnh lưu 1 Z1 -i S d p m 2 2 Z2 p = U d id = pn VR ∑ i p3 n=1 d 3 Ud Z3
6. 5.3.2 Nghịch lưu áp cầu một pha i d S1 S3 VR1 VR3 iS1 i iVR1 Z Z L R S4 S2 uZ Ud VR4 VR2 Ψ: Góc dự kiến đóng các bộ khóa ΨS: Góc thông dòng của các bộ khóa ΨR: Góc thông dòng của các diode ngược
7. S1,S2 VR1,VR2 S1,S2 S3,S4 VR3,VR4 ΨR ΨS Ψ S1 iZ uZ Z θ = ωt Ud U S2 O d -Ud 2π VR3,VR4 Ud/R iZ VR3 O Z -U /R d iZ VR4 i = i i = i S1 S2 VR3 VR4 S3,S4 S3 O iZ i = i i = i S3 S4 VR1 VR2 Z Id S4 O
8. 5.3.3 Nghịch lưu áp tia một pha Ψ = π •Nhịp S1: uZ = ua = Ud iS1 = id = iZ tăng theo đường cong hàm mũ
9. •Nhịp VR2: Ngắt xung điều khiển đưa vào S1. Do ảnh hưởng của L trong tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp và qua đó dòng trong cuộn sơ cấp vẫn giữ chiều cũ. Dòng trong cuộn sơ cấp chảy qua VR2 và qua nửa phải của cuộn sơ cấp. uZ = ub = -Ud iVR2 = -id = iZ giảm theo đường cong hàm mũ Nhịp VR2 kết thúc khi dòng iVR2 giảm về giá trị 0
10. •Nhịp S2: Xung điều khiển đưa vào S2 ngay sau khi ngắt S1. Khi VR2 đóng, dòng sẽ chảy qua S2. Điện áp trên tải vẫn không đổi, tuy nhiên dòng iZ sẽ đảo chiều uZ = ub = -Ud iS2 = id = -iZ tăng theo đường cong hàm mũ với chiều ngược lại Nhịp S2 kết thúc khi ngắt xung điều khiển đưa vào S2 và bắt đầu đưa xung điều khiển vào S1
11. •Nhịp VR1: Ngắt xung điều khiển đưa vào S2. Do ảnh hưởng của L trong tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp và qua đó dòng trong cuộn sơ cấp vẫn giữ chiều cũ. Dòng trong cuộn sơ cấp chảy qua VR1 và qua nửa trái của cuộn sơ cấp. uZ = ua = Ud iVR1 = -id = -iZ tăng theo đường cong hàm mũ Nhịp VR1 kết thúc khi dòng iVR1 tăng lên giá trị 0
12. 5.3.4 Nghịch lưu áp cầu ba pha
13. π < Ψ ≤ π 3
14. • S1, S5, S6 1 3 Z uZ1 = uZ3 = Ud/3 uZ1 uZ3 uZ2 = -2Ud/3 Ud uZ2 2
15. • S1, S2, S6 1 uZ1 = 2Ud/3 uZ1 uZ2 = uZ3 = -Ud/3 Ud uZ2 uZ3 2 3
16. • S1, S2, S3 12 Z uZ1 = uZ2 = Ud/3 uZ1 uZ2 uZ3 = -2Ud/3 Ud uZ3 3
17. • S2, S3, S4 2 uZ2 = 2Ud/3 uZ2 uZ1 = uZ3 = -Ud/3 Ud uZ1 uZ3 1 3
18. • S3, S4, S5 23 Z uZ2 = uZ3 = Ud/3 uZ2 uZ3 uZ1 = -2Ud/3 Ud uZ1 1
19. • S4, S5, S6 3 uZ3 = 2Ud/3 uZ3 uZ1 = uZ2 = -Ud/3 Ud uZ1 uZ2 1 2
20. Ψ= π Æ ΨS + ΨR = Ψ = π Ψ Ψ TẢI
21. 5.3.5 Điều khiển nghịch lưu áp cầu 3 pha Nguyên tắc thay đổi tần số xung • Độ lớn: Ud •Tần số: tần số phát xung vào các bộ khóa u c Phát xung Phân phối Khuyếch đại xung xung Nguyên tắc điều biến độ rộng xung - PWM • S1, S3, S5 • S2, S4, S6 ĐIỆN ÁP RĂNG CƯA ĐiỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN uZ1 = uZ2 = uZ3 = 0
22. 5.4 Nghịch lưu dòng 5.4.1 Hai chức năng của bộ chuyển mạch trong nghịch lưu dòng • Đặt điện áp ngược lên thyristor, đóng thyristor. • Tham gia vào quá trình chuyển mạch
23. 5.4.2 Nghịch lưu dòng một pha Giả sử V1, V2 mở, dòng điện qua tải iZ = Id Điện áp trên các tụ uC1 < 0, uC2 < 0. Muốn đóng V1, V2: mở V11, V12. Dòng iZ = Id chảy qua V11, C1, C2, V12 Æ điện áp trên các tụ đảo chiều. Trong thời gian điện áp trên các tụ còn <0, V1 và V2 phục hồi khả năng khóa. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ nhất. Xung điều khiển được đưa vào V3, V4, cùng với V11 và V12, tuy nhiên chưa mở do uV3 = uC1 + uZ <0, uV4 = uC2 + uZ < 0.
24. Đối với tải L: uV3 = uC1, uV4 = uC2 Æ V3, V4 mở khi uC1 = uC2 = 0 Dòng điện chảy qua V11, C1, Z, C2, V12 giảm dần. Dòng điện chảy qua V3, Z, V4 tăng dần. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ hai Quá trình chuyển mạch kết thúc khi iV3 = iV4 = -iZ = Id
25. 5.4.3 Nghịch lưu dòng 3 pha • Thyristor chính: V1, V2, , V6 •Tụ chuyển mạch: C13, C35, , C 26, C24 • Diode phân cách: V11, V12, , V16. Ψ=1200 V1 V2 V3 V4 V5 V6 iZ1 Id -Id iZ2 iZ3
26. •Nhịp V1, V2, V11, V12 iZ1 = Id; iZ2 = 0; iZ3 = -Id uC13 > 0 uV3 = uC13 > 0: V3 đang ở trạng thái khóa •Nhịp V3, V11, V2, V12 Đưa xung điều khiển mở V3. uC13 đóng V1. Dòng Id chảy qua V3, C13, song song với C13 là C35 và C15, V11, vào pha 1. uV13 = uZ12 –uC13 < 0 V13 vẫn đóng. Id sẽ đảo chiều điện áp trên C13. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ 1
27. •Nhịp V3, V11, V13, V2, V12 Khi uV13 = uZ12 –uC13 = 0 V13 mở Dòng chảy qua V3 và V13 vào pha 2. Quá trình chuyển mạch: dòng chảy vào pha 1 giảm dần, dòng chảy vào pha 2 tăng dần. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ 2: tham gia vào quá trình chuyển mạch Quá trình chuyển mạch kết thúc khi dòng chảy vào pha 1 giảm về 0 và dòng chảy vào pha thứ 2 bằng Id. Î Chuyển sang nhịp V3, V13, V2, V12
28. 5.4.4 Điều khiển nghịch lưu dòng
29. Chương 6: Thiết bị biến tần
30. 6.1 Khái niệm chung – Phân loại Dùng để biến đổi năng lượng điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số • Phân loại theo số lượng pha -Một pha - Ba pha - m-pha • Phân loại theo sơ đồ -Trực tiếp - Gián tiếp + Nguồn áp + Nguồn dòng
31. 6.2 Biến tần trực tiếp Biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có tần số khác
32. T TT=+2( n − 1) 1 n: số nửa chu kỳ điện áp đầu vào 21 p để tạo nên nửa chu kỳ điện áp đầu ra fT21 p TT11 == Tpn2 =+[]2( − 1) = q fT12 p+ 2( n− 1) p p
33. TT Đối với biến tần 3 pha: Tpn=+[]2( − 1) 11 = q 2 p p Tần số điện áp đầu ra f2 < 25Hz và không thể điều khiển vô cấp Î Biến tần trực tiếp ít được sử dụng
34. 6.3 Biến tần gián tiếp 6.3.1 Biến tần nguồn áp UdII > 0 CHỈNH LƯU NGHỊCH LƯU ÁP Cf, Lf: mạch lọc Mạch lọc cùng với chỉnh lưu tạo thành nguồn áp một chiều đầu vào của nghịch lưu áp •UdI > 0 •IdI > 0 Cf: nhận dòng phản kháng. Î PI > 0 Công suất không thể đảo chiều Nguyên tắc điều khiển: • Nguyên tắc điều khiển tần số xung: f2: tần số xung phát vào nghịch lưu U2: sử dụng chỉnh lưu có điều khiển, hoặc sử dụng chỉnh lưu không điều khiển và bộ biến đổi xung áp • Nguyên tắc PWM – chỉnh lưu chỉ cần là không điều khiển.
35. 6.3.2 Biến tần nguồn dòng Lf: Mạch lọc Chỉnh lưu và mạch lọc phải có tính chất nguồn dòng một chiều NGHỊCH LƯU DÒNG •Id > 0 CHỈNH LƯU •UdI > 0 hoặc < 0 Î Công suất có thể đảo chiều Nguyên tắc điều khiển: f2: tần số xung phát vào nghịch lưu I2: sử dụng chỉnh lưu có điều khiển.
36. Chương 7 Bộ khóa xoay chiều và thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều
37. 7.1 Khái niệm chung – Phân loại Bộ khóa xoay chiều: đóng, cắt dòng xoay chiều Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều: thay đổi giá trị điện áp xoay chiều • Phân loại theo số lượng pha -Một pha - Ba pha - m-pha • Phân loại theo sơ đồ - Cơ bản -Tiết kiệm • Phân loại theo phương pháp điều khiển - Điều khiển hoàn toàn - Bán điều khiển
38. 7.2 Bộ khóa xoay chiều 7.2.1 Bộ khóa xoay chiều một pha ĐÓNG di Ri +ωL Z = u = U sinθ NGẮT Z dθ m θZ: góc bắt đầu iz(θz) = 0 ωL ZR=+222ωϕ L;arctan = R R UU−−()θθZ ie=−−mmsin(θ ϕθϕ )ωL sin( − ) ZzZZ f2(θ) f1(θ)
39. ĐÓNG NGẮT
40. 7.2.2 Bộ khóa xoay chiều ba pha Gồm 3 bộ khóa 1 pha
41. 7.3 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều 7.3.1 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều một pha Tải thuần trở R
42. Tải R, L: •Khi ϕ < α < π θZ = α U i =−−m sin(θϕ ) Z Z R U −−()θα −−m e ωL sin(α ϕ ) Z • Khi 0 < α < ϕ Không điều khiển được điện áp. Thiết bị làm việc như bộ khóa xoay chiều
43. Tải L •Khi π/2 < α < π ϕ = π/2 U i =−m (cosα cosθ ) Z ωL •Khi 0 < α < π/2 Không điều khiển được điện áp. Thiết bị làm việc như bộ khóa xoay chiều
44. 7.3.2 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Gồm có ba bộ biến đổi điện áp xoay một pha mặc với nhau
45. CHƯƠNG 8: BẢO VỆ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI
46. 8.1 Bảo vệ các phần tử điện tử công suất 8.1.1 Công suất tổn thất và làm mát ∆=∆+∆≈∆P pp121 p ∆P Công suất tổn thất ∆p1 Công suất tổn thất chính ∆p2 Công suất tổn thất phụ 2 ∆=P UITAVF0( ) + RI
47. Nhiệt độ mặt ghép TTRPjath=+∆ RRRRth=++ jv vr ra Tj Nhiệt độ mặt ghép Ta Nhiệt độ không khí môi trường Rjv Điện trở nhiệt giữa mặt ghép và vỏ linh kiện bán dẫn Rvr Điện trở nhiệt giữa vỏ và cánh tản nhiệt Rra Điện trở nhiệt giữa cánh tản nhiệt và không khí môi trường Làm mát: • Cánh tản nhiệt • Cánh tản nhiệt + quạt gió • Cánh tản nhiệt + nước • Ngâm trong dầu biến thế
48. 8.1.2 Bảo vệ dòng điện Cầu chì: • CC phải chịu được dòng làm việc định mức của thiết bị •Nhiệt dung chịu đựng của CC phải nhỏ hơn nhiệt dung của thiết bị cần 2 2 bảo vệ Æ nhiệt lượng (I t)CC < (I t)TB • Điện áp hồ quang của CC phải tương đối lớn Æ Giảm nhanh dòng điện và tiêu tán năng lượng trong mạch. •Khi CC đứt, điện áp phục hồi phải đủ lớn Æ Không làm cho hồ quang cháy lại giữa hai cực của cầu chì Lắp đặt: có nhiều cách •Từng pha của cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp MBA •Nối tiếp với từng van •Nối tiếp với từng nhóm van mắc song song • Đầu ra của thiết bị biến đổi
49. 8.1.3 Bảo vệ quá áp Quá áp trong Sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn (quá trình động của diode và thyristor) Î Bảo vệ bằng mạch R – C đấu song song với diode hoặc thyristor Quá áp ngoài Cắt không tải MBA trên đường dây, CC bảo vệ nhảy, sấm sét, Î Bảo vệ bằng mạch R – C mắc giữa các pha thứ cấp của MBA động lực • R 10 – 1000 Ω • C 0.01 – 1 µF
50. 8. 2 Điều khiển các thiết bị biến đổi 8.2.1 Khuyếch đại thuật toán Khuyếch đại đảo R2 uurv=− R1 Mạch so sánh ⎧−>Uuucc − + ur = ⎨ ⎩+>Uuucc + −
51. Mạch tích phân 1 uudt=− rvRC ∫ Mạch vi phân R C - ur duv uRCr =− + dt
52. 8.2.2 Mạch tạo xung chuẩn sử dụng IC 555
53. tCRRtCR11222= 0.693 (+= ); 0.693 Tttt==12 + =0.693 CRR ( 1 + 2 2 ) Mạch lật đơn sử dụng IC 555 TRC=1.1 1 − V 3 cc