Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 5: Nghịch lưu độc lập và biến tần

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 5: Nghịch lưu độc lập và biến tần

1. Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU: CHƯƠNG V NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN - Nghịch lưu song song và nối tiếp 1. Phân loại nghịch lưu - Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp 2. Khảo sát nghịch lưu nguồn áp 1. Nghịch lưu song song và nối tiếp: 3. Phương pháp điều khiển điện áp ngỏ ra Phân loại theo vị trí của C tắt SCR ( nghịch lưu chuyển mạch tải) 4. Sóng hài và nghich lưu hình sin a. Nghịch lưu song song: C song song tải 5. Biến tần nguồn áp 6. Ứng dụng T L ♦ Nghịch lưu: Bộ biến đổi DC Ỉ AC + SCR3 L SCR1 C ♦ Nghịch lưu độc lập = BBĐ DC Ỉ AC với U, f do nó quyết định V R + C SCR2 V (nghịch lưu ô-tô-nôm) _ SCR4 _ SCR1 SCR2 phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc: một chế độ làm việc của chỉnh lưu SCR - Khi SCR 1 và 4 dẫn điện, tụ điện C được nạp, làm tắt chúng khi ta kích ♦ Có rất nhiều sơ đồ nghịch lưu khác nhau cho các ứng dụng công SCR2 và 3 nghiệp
2. 3/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Nghịch lưu nối tiếp: C nối tiếp tải 2. Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp: a. Nghịch lưu nguồn dòng: có L bằng vô cùng ở ngỏ vào i i L = ∞ o i + N N R i N L1 L2 C S1 S3 i wt i u L O 2π o Tải RL C C π U i o L C + SCR1 u - iN S2 C S4 SCR2 _ Mạch tương đương V (C là tụ chuyển Hình V.1.3 Sơ đồ nguyên lý, mạch _ Vo mạch) R tương đượng và dạng dòng ngỏ ra bộ biến đổi - Kích SCR 1 tạo ra xung dòng dương, SCR 1 sẽ tự tắt khi dòng qua => tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: mạch làm việc với nguồn mạch về không dòng. - Kích SCR 2 tạo ra xung dòng âm. => Dòng nguồn iN phẳng, được đóng ngắt thành dòng xoay chiều: Thường được dùng làm bộ nguồn trung hay cao tần. S1, S4 đóng: iO = iN > 0 ; S2, S3 đóng: iO = – iN < 0 Công suất tải tiêu thụ: Po = U.iN
3. 5/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 6/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Nghịch lưu nguồn áp: có tụ điện C giá trị lớn ở ngỏ vào So sánh Nghịch lưu nguồn dòng Nghịch lưu nguồn áp => tổng trở trong của nguồn bằng không Ngỏ vào L = ∞ C = ∞ => nguồn có thể cung cấp và nhận dòng không giới hạn. Nguồn Nguồn dòng Nguồn áp Tải Dòng xung vuông Áp xung vuông, giới hạn ở biên độ Các ngắt điện của nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược nguồn => biên độ áp ra bị giới hạn ở áp nguồn Áp thay đổi theo tải Dòng thay đổi theo tải Ví dụ: Năng lượng 1 chiều, từ nguồn đến tải 2 chiêù, nguồn trao đổi với tải BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải là NL nguồn áp một pha khi trị trung bình áp ra bằng 0. V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP: i + o V 1. Sơ đồ 1 pha và phương pháp khảo sát gần đúng S1 R S3 wt i Tải RL 0 π o 2. Sơ đồ 3 pha và các quan hệ điện áp U π u L C o 2 u 3. Logic 3 pha o -V _ S2 S4 Mạch tương đương Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng và dạng áp ngỏ ra NL nguồn áp.
4. 7/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 8/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 1. Sơ đồ NL 1 pha và phương pháp khảo sát gần đúng Ví dụ V.3.1: Tính toán dạng dòng của bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ cầu với u điều khiển lệch pha hình V.4.3. Áp nguồn U, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều + o D1 D3 + khiển θ, độ rộng xung áp q = T ⋅ (π − θ)/ 2π , q tính bằng giây. S1 S3 D1 S1 iu C1 o o U T U U + I u D1 D3 2 o + S1 S3 D2 D4 u -I1 wt _ o U S2 S4 io uo _ C2 S2 _ S1 S2 I π 2π D2 D1 D2 U 1 θ D2 D4 Sơ đồ cầu Sơ đồ ½ cầu Sơ đồ BA có điểm giữa _ S2 S4 S1 = -S2 S3 = -S4 Nghịch lưu 1 pha: dùng luật đóng ngắt của BBĐ chiều làm việc 4 phần tư sao cho trung bình áp ra bằng không. Xét chu kỳ tực xác lập: => Ngắt điện có khả năng đóng ngắt theo yêu cầu: - Phương trình vi phân khi S1, S4 đóng: - linh kiện họ transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) hay di UL=+ Ri với điều kiện đầu i (0) = I1, - SCR + mạch tắt, GTO ở công suất cao hơn (kA). dt UU⎛⎞−t/τ suy ra iIe=+⎜⎟1 − ⋅ với τ = L / R . RR⎝⎠
5. 9/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 10/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi U u 4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp: + I2 o i D1 D3 1 S1 S3 -I 1 wt Sử dụng nguyên lý xếp chồng, giả sử chỉ có i u I1 π 2π u Tải o o θ 1 U thành phần cơ bản u1 (sóng hài bậc 1) là có tác dụng. S1 = -S2 D2 D4 =>I = I1 là thành phần cơ bản của dòng tải, _ S2 S4 S3 = -S4 TẢI: mạch tương đương của phụ tải ở tần số w. UU ⎛⎞−q/τ Từ đó tính được công suất tiêu thụ gần đúng, suy ra hoạt động của tải. Khi t = q, i = I2 với IIe21=+⎜⎟ − ⋅ . S4 ngắt, S3 đóng. RR⎝⎠ Bài tập: U Dòng qua tải không thay đổi tức thời,chảy qua S1, D3; phương trình vi phân: I2 uo di −t / τ -I1 wt 0 =+L Ri với điều kiện đầu i (0) = I2 , suy ra i = I2 ⋅ e . Cho bộ nghịch lưu nguồn áp có áp ngỏ dt I π 2π 1 θ T hình bên với U = 300V, tải R = 10 ohm, T −( −q)/ τ Khi t = − q , i = - I ; ta có − I = I ⋅ e 2 2 1 1 2 L = 0.1 H, tần số làm việc 50 Hz. Tính S1 = -S2 , => I1, I2, và vẽ được dạng dòng tải. dòng (hiệu dụng) qua tải khi xem các S3 = -S4 −q/τ T sóng hài bậc cao là không đáng kể. −T /2τ −−( 2 q)/τ Ue1− −−T q /τ ()2 Ve− e o I2 = −T /2τ , IIe12=− ⋅ = Tính công suất tiêu thụ, biết θ = 120 . R 1+ e R 1+ e−T /2τ V e−T / 2τ −1 Kiểm tra lại: khi q = T/2 thì I1 = = −I2 R 1+e−T / 2τ
6. 11/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 12/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2. Sơ đồ ba pha : Logic ba pha: TÍNH TOÁN ÁP NGỎ RA NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP DÙNG HÌNH V.3.2 Nghịch lưu nguồn áp 3 pha : ( ba ngắt điện làm việc cùng lúc). - Áp các pha đối với trung tính nguồn uAn, uBn, uCn - 3 nghịch lưu một pha lệnh 2π/3 pha A S1 −> S4 −> S1 - Áp dây uAB , uBC , uCA : áp dây uAB + pha B S2 −> S5 −> uuu=− của dạng sóng U D1 D2 D3 - cầu 3 pha làm từ 3 nửa cầu AB An Bn 2 S1 S2 S3 S6 −> S3 −> S6 A B C pha C uuuBC=− Bn Cn 6 nấc là xung n S1>S6−>S2>S4> S3> S5>S1 => vvvCA=− Cn An vuông U D4 D5 D6 S4 S5 S6 S1 S4 + 2 uuuAB++= BC CA 0 _ R R R S5 S2 U D1 D2 D3 2 S1 S2 S3 S6 S3 - Áp pha tải uAN (tải nối hình sao): n A B C L L L iii++=0 uuu+ +=0 N uAB U D4 D5 D6 AN BN CN => AN BN CN t 2 S4 S5 S6 _ R R R Ta có các quan hệ sau: (uAN viết thành uA) iA 1 1 L L L uuu=− uuuAABCA=−()uuuu=−−(2 ) uA AB A B 3 A An Bn Cn N 3 uuuBC=− B C 1 () 1 hình V.3.2 Sơ đồ NL cầu 3 pha Từ suy ra: uuuB =−BC AB hay uuuuB =−−(2Bn An Cn ) uuuCA=− C A 3 3 1 1 Áp dây và áp pha sơ đồ này gọi là dạng sóng 6 nấc: uuuABC++=0 uuu=−()uuuu=−−(2 ) CCABC3 CCnAnBn3 Lấy làm căn bản cho việc khảo sát NL nguồn áp ba pha.
7. 13/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 14/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Tính trực tiếp thành phần cơ bản (hữu dụng) áp pha tải u1A: CHÚ Ý: Có thể tính trực tiếp áp pha tải hình Y như bài tập sau: Bài tập V.3.1: Vẽ trực tiếp dạng áp ra và tính trị số hiệu dụng áp dây, áp pha Đặt uNn là áp trung tính N của tải so với trung tính nguồn n + của nghịch lưu 3 pha nguồn áp tải hình Y. uuuuvvuvuAn=+ A Nn,, Bn =+ B Nn Cn =+ C Nn U D1 D2 D3 Xét trạng thái của các ngắt điện suy ra áp pha tải: 2 S1 S2 S3 suy ra uuuuAnBnCnNn++= 3. . n A B C + U U D4 D5 D6 D1 D2 D3 uNn : thành phần thứ tự 0. 2 S1 S2 S3 2 S4 S5 S6 n A B C Khai triển Fourier từng thành phần: _ R R R U D4 D5 D6 U U S4 S5 S6 => 1An = 1A L L L 2 _ R R R N U1An : hài bậc 1 của áp pha A đối với trung tính nguồn L L L Các trường hợp nối tải vào nguồn U tương U : hài bậc 1 của áp pha A tải N 1A ứng với các trạng thái của ngắt điện. cho ta thành phần cơ bản của áp pha tải từ luật điều khiển NL Trường hợp 1: S1, S2, S3 hay S4, S5, S6 đóng: uA = 0 (không xảy ra ở đây) Trường hợp 2: S1, S5, S6 đóng: uA = 2 V/3 Trường hợp 3: S1, S2, S6 hay S1, S5, S3 đóng: u = V/3 A Trường hợp 4: S4, S2, S3 đóng: uA = -2 V/3 Trường hợp 5: S4, S5, S3 hay S4, S2, S6 đóng: uA = -V/3
8. 15/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 16/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi S1 S4 + V.3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP: S5 S2 U D1 D2 D3 2 S1 S2 S3 1. Công thức căn bản để u U S6 S3 n A B C phân tích Fourier điện áp ngỏ ra a π u D4 D5 D6 2 AB U nghịch lưu nguồn áp: 2 π wt t S4 S5 S6 2 0 _ R R R Hình V.4.1: Dạng xung cơ bản cho i -U A phân tích sóng hài nghịch lưu L L L uA N - Trục tung là trục đối xứng: vO không có thành phần sin, hình V.3.2 Sơ đồ NL cầu 3 pha - uO có π/2 là tâm đối xứng: không có tần số bội chẵn (n ≠2k). Tích phân các dạng sóng hình V.3.2.a để tính hiệu dụng, ta có: uUnwton= ∑ cos( ) k = 0, 1, 2, 3 với tích phân theo biến ω t: nk=+21 áp dây UUAB = 2/3 áp pha: 122/2ππ U=⋅ ucos() nwt dwt = u ⋅ cos() nwt dwt noππ∫∫0/2−π o 4Una UUA = 2/3(ứng với biên độ bằng 2/3U và 2/3U ) ⇒=Un sin 22a/2 U wt= a /2 nπ 2 U=⋅ Ucos() nwt dwt =⎡⎤ sin () nwt n ∫−a/2 ⎣⎦wt=− a /2 Hệ thống điều khiển hoàn toàn (toàn phần): các ½ cầu đóng/ngắt đão ππn pha => các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện. Khi a = π (xung chữ nhật) Hệ thống điều khiển không hoàn toàn nếu có khoảng thời gian hai ngắt 44444UUUUUn−1 4 U nU=⇒=−−1,3,5,7,9 , , , , , ( − 1) 2 điện của nửa cầu không làm việc => áp ra sẽ phụ thuộc tải. n π 35ππ 79 ππn π
9. 17/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 18/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Bài tập V.4.1: Không cần tích phân, tính thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) của 2. Bài toán điều khiển áp ra: ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha (hình V.1.7): U/Uđm Mục đích: uo 2U/3 423UUπ u1 - Giữ ổn định điện áp ngỏ ra. Áp dây U1 ==sin (b) π 3 π u2 π 2π wt - thay đổi theo yêu cầu của tải, 442UUUπ π 0 (a) f áp pha: U1 =+=sin sin -U/3 3632π ππ ví dụ: - 2U/3 tải động cơ AC cần có quan hệ Hình V.4.2: Đặc tính U / f = Bài tập V.4.2: hằng số theo lý thuyết (a) và U / f = hằng số 1. Chứng minh dạng sóng lệch pha hình V.4.3 có góc lệch pha θ = 2π / k không có hài bậc thực tế (b) bội k: => Bộ nghịch lưu ba pha không có hài bội 3 Có các phương pháp sau: 2. Chứng minh ở dạng sóng 6 NẤC hình V.3.2a: a. Thay đổi áp nguồn cung cấp: - các thành phần Fourier của áp dây vẫn bằng 3 các thành phần tương ứng của áp pha. b. Điều chế độ rộng xung: - Tỉ số giữa các sóng hài bậc cao trên thành phần cơ bản (bậc 1) của áp dây và áp pha là Có hai phương án: như nhau. - điều chế một xung - điều chế nhiều xung: Khi tần số làm việc bé, dòng diện điều rộng nhiều xung nhỏù hơn một xung
10. 19/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 20/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi U Bài tập V.4.4: Khảo sát sóng hài của bộ nghịch lưu điều khiển lệch pha I u + 2 o D1 D3 theo góc lệch pha. (giả sử điều khiển hoàn toàn). S1 S3 -I1 wt I1 π 2π io uo θ Như đã chứng minh, khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha θ, ta có dạng U xung điều rộng, bề rộng xung là θ và sóng hài bậc n là: S1 = -S2 D2 D4 4Unθ _ S2 S4 S3 = -S4 Un = sin , n chỉ có các nπ 2 Điều khiển áp ra bằng lệch pha (điều rộng một giá trị lẻ và θ thay đổi trong xung) khoảng từ 0 π. uo Khảo sát hàm số U U 1 n⋅θ io U ' ==n sin n 4U theo θ wt π n 2 cho ta đồ thị sau với n =1, 5, 7, − U 11, 13. Các hài bội ba không cần S1 = -S2 Hình V.4.4: Sơ đồ điều rộng nhiều Hình BTV.4 xung (NL một pha) khi điều khiển xét khi dạng sóng được ứng dụng S4 = -S3 hoàn toàn (sơ đồ cầu) cho hệ ba pha. π 2π
11. 21/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 22/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi V.4 SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ NGHỊCH LƯU HÌNH SIN: 3. Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM): a. Nguyên lý: U 1. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao: CMAX U u 7 u c 3 o - Gây phát nóng phụ: do dòng điện hài bậc cao. 6 u 2 đk u[n] u (t) u - Gây momen phụ: do các thành phầnbậc cao tạo ra ở động cơ xoay chiều. REF av 4 uREF t t 2. Các phương pháp hạn chế sóng hài: Chia làm hai nhóm: T T Sử dụng bộ nghịch lưu nhiều bậc (dạng sóng nấc thang) uc: sóng mang (carrier) chu kỳ T - : sóng hài rất bé, sơ t on ton đồ phức tạp. uref: áp chuẫn (đặt – reference) un[] utav on - Điều chế độ rộng xung (PWM): Có nhiều phương pháp: ta có: = =−21 -U UUTCMAX - điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải tiến Với: - uav là trung bình trong chu kỳ T của 1 xung áp ngỏ ra biên độ U - triệt tiêu hài chọn trước, - u[n] là giá trị của uREF tại chỗ giao với uc - dùng bộ so sánh có trễ (điều rộng thích nghi) - U là biên độ cực đại của sóng mang u - điều rộng vector không gian (SVPWM). CMAX c Khi T đủ bé, dạng nấc thang “tương đương” này tiến đến hình sin. Nhược điểm quan trọng là sóng hài ở tần số của sóng mang có biên độ => giá trị điện áp u1 tương ứng với uref hay biên độ U1 của thành rất lớn: uUuU - không ảnh hưởng tải 11==REF và REFMAX phần cơ bản áp ra: - gây tiếng ồn, tổn hao trong lõi sắt UUCMAX U U CMAX
12. 23/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 24/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Thông số kỹ thuật điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu: Ví dụ SPWM: * Chỉ số điều chế biên độ ma (còn gọi là chỉ số điều chế – modulation index): 7 U u m = P UCMAX : biên độ sóng mang răng cưa c 3 a U 6 u CMAX ma : thông số điều khiển, đặc trưng cho yêu 2 đk UP : biên độ của áp chuẫn uREF , cầu điều khiển, có thể lớn hay nhỏ hơn 1. u 4 REF * Chỉ số điều chế tần số m (thường gọi là bội số điều chế tần số – frequency f 12 10.087793 modulation ratio – vì nó luôn lớn hơn hay bằng 1): là thông số của sơ đồ điều khiển fC 10 m = fC : tần số sóng mang, f f O fO : tần số ngỏ ra 8 y * Chỉ số điều chế điện áp ngỏ ra m (gọi tắt là chỉ số điện áp): cho biết hiệu quả m 6 O của sơ đồ điều chế 4 U Hình V.4.6c: Các dạng sóng SPWM 1 U1 : áp có điều chế và mO = V ; 2 U1 V 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 U1 : áp không có điều chế (ví dụ xung vuông ở sơ đồ 1 pha hay dạng sóng 6 nấc 0 m 128 của sơ đồ 3 pha). Trong sơ đồ NL ba pha: U V =U sixstep . Hình V.4.6.d: Phổ của dạng sóng SPWM hình c. Thành phần có n = 41, 43, 83, 85 là có 1 1 UUU biên độ cao nhất sixstep 111R Với U lấy ở bài tập V.4.1: mO === 1 U sixstep 2 U 2 U 1 π π Bài tập tính áp ngỏ ra SPWM: với U là áp nguồn một chiều và U1R là hiệu dụng thành phần cơ bản áp pha tải.
13. 25/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 26/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi c. Chỉ số điều chế điện áp mO của SPWM ba pha: 4. Các phương pháp điều chế độ rộng xung khác: Khai triển Fourier uAn với chỉ số điều chế biên độ ma ≤ 1 là thông số: a. Điều chế theo mẫu: umUwtHMwNwAn=++±0.5 a sin(φ ) ( C ) - thay thế sóng hình sin bằng dạng Xét thành phần cơ bản của uAn: sóng nấc thang. - điều chế đối xứng hay không đối umUwtAn1 = 0.5 a sin chính là khi lưu ý biên xứng độ áp ra chỉ là ½ áp nguồn 1 chiều. Thành phần cơ bản của nghịch lưu xung Hình V.4.9.a: Nguyên lý điều chế theo V 4U vuông tương ứng: U1 = mẫu: thay thế hình sin bằng dạng nấc 2π thang 0.5mUa π Hình V.4.8a: Chỉ số áp ngỏ ra mo theo Suy ra: mmmOaa===. 0.7855 4/2U π 4 chỉ số điều chế biên độ ma sơ đồ nghịch lưu 3 pha. Khi tính toán cho áp pha tải ba pha, cho ta Biên độ thành phần cơ bản UmU1 = 0.5 a U mm==1 0.7855 chỉ số điện áp mO : Oasixstep U1
14. 27/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 28/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi n-1 n n+1 n-1 n n+1 b. Điều chế vector không gian - SVM (gọi đầy đủ là điều rộng xung vector không UC UC T1(n) T1(n) gian - SVPWM): U U ua(n) M ua(n) M Tính toán 1 lần cho dạng sóng 3 pha, Vector không gian của áp ba pha: có các ts(n) ts(n) 0 0 trường hợp sau: JJG T2(n) T2(n) * Hệ ba pha hình sin đối xứng: vector U quay góc ωe . JJG Ts T * Nghịch lưu 6 nấc thang: bộ 6 vector U1 , s JJG JJG JJG JJG JJG Hình V.4.9b: Điều chế đối xứng Hình V.4.9c: Điều chế không đối xứng U2 , U3 , U4 , U5 , U6 mô tả sáu trạng thái của các ngắt điện Khi điều chế dối xứng: Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n : * Khi điều rộng xung Trạng Ngắt điện áp pha áp pha áp pha Vector ⎡⎤ n.2π thái đóng tải u tải u tải u không gian TUSCa− un() un( )= U sin( ) hình sin SPWM với A B C Tn1( )==−⎢⎥ ; T 2( n ) TS Tn 1( ) aM JJG 22U N ⎣⎦C f = N.f : bộ N vector 1 S1,S5,S6 2U/3 -U/3 -U/3 V1 (1,0,0) C O JJG trạng thái nằm trên đường 2 S1,S2,S6 U/3 U/3 -2U/3 V (1,1,0) Với T : chu kỳ lấy mẫu; u (n): áp chuẩn tại kỳ lấy mẫu thứ n; U , U : biên JJG2 s a C M tròn có bán kính thay đổi, 3 S4,S2,S6 -U/3 2U/3 -U/3 V3 (0,1,0) độ sóng mang tam giác và áp chuẩn hình sin. JJG bằng áp ra mong muốn 4 S4,S2,S3 -2U/3 U/3 U/3 V (0,1,1) * JJG4 => các độ rộng T1, T2 theo tỉ số UM / UC , TS , hàm sin(n.2π/N) [chứa trong V . 5 S4,S5,S3 -U/3 -U/3 2U/3 V5 (0,0,1) JJG ROM] 6 S1,S5,S3 Vd/3 -2Vd/3 Vd/3 V (1,0,1) 6
15. 29/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 30/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian SVPWM: Điều kiện : TttCab>+ - mô tả các vector trạng thái SPWM là U * theo các vector của NL sáu nấc thang. JJG JJG JJJG => U * nằm phía trong hình lục giác - hai trạng thái U0 (0,0,0) và U7 (1,1,1) có áp bằng 0 được thêm vào để điều chỉnh áp ra * đều, UUmax= 1 cos(π / 6) * Công thức cho điều chế vector không gian: U2 JJJG JJJG JJJG Suy ra biên độ áp ngỏ ra cực đại U * : - vector không gian U * = Ua + Ub max * 2 π U π π 2 π UUmax =⋅⋅cos = = 0.577 U Ua= U *.sin(−α ) 36 UU*sin(−=α )a sin * 3 333 3 Ub => U π 2 với U: áp cấp điện một chiều, UU*sin(α )= b sin Ub= U *.sin(α ) 3 3 α U1 JJG vì biên độ của áp 6 nấc thang (U1 - Ua , Ub tương ứng với ta và tb : Ua JJG 2 JJJG JJJGJJG JJG JJJG ttab U6 ) U1 = U . Uo U1 U2 U7 U7 U2 U1 Uo UUU*12=+=ab U + U 3 TTCC to ta tb to to tb ta to 2 2 2 2 với T là chu kỳ điều chế độ rộng xung, tương ứng với chỉ số điện áp mO C pha a S4 S1 S1 S1 S1 S1 S1 S4 Ua Ub giới hạn (cực đại) bằng: Đặt: tTaC= và tTbC= * U1 U1 U 0.577U pha b S5 S5 S2 S2 S2 S2 S5 S5 JJG JJG m ==max =0.907 GH sixstep 2 với UUU121== U U 1 π pha c S6 S6 S6 S3S3 S6 S6 S6 => tTttOCab= là thời gian có áp ra bằng zero Tc Tc Ts
16. 31/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 32/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi d. Điều chế độ rộng xung sử dụng bộ so sánh có trễ (điều chế delta): c. Triệt tiêu các sóng hài chọn trước: Khi sử dụng những dạng sóng có độ SO SÁNH SMIT rộng xung cố định: Áp ra uo : Pha A Đặt Out pha uuoo=−11()αα u o 2 () 2 + u o 3 3 2 => Có thể chọn α , α để triệt tiêu 2 Phản hồi 1 2 sóng hài của uo . Hình V.4.13b: Các dạng sóng điều rộng Ví dụ: Tính các góc θ1, θ2 để dạng sóng v xung dùng bộ so sánh có trễ phản hồi dòng hình V.4.12.a không có các sóng hài bậc 5, điện: 7. Dạng sóng điều rộng xung hình V.4.12.a IREF : tín hiệu đặt dòng; iO : phản hồi dòng có thể phân tích thành các dạng sóng cơ vO : dạng áp ra; v1 : hài cơ bản của điện bản như hình V.4.12.b và như vậy, ta có: Hình V.4.12: Dạng sóng điều rộng xung hình sin áp ra (a) và phân tích chúnh thành các dạng cơ bản (b) u = u – u + u , O O1 O2 O3 Bất lợi: tần số đóng ngắt phụ U = 4U ⎡12sin.−+nnαα21 2sin. ⎤ thuộc đặc tính tải Dạng tổng quát của biên độ các sóng hài là: n π ⎣ n ⎦ Ο Ο Cho U5 và U7 bằng không, giải ra α1 = 56.7 , α2 = 66.4 . Khi đó U1 = 1.068U hay giá trị hiệu dụng U1R = 0.755U
17. 33/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 34/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi V.7 BIẾN TẦN: 1. Biến tần trực tiếp: - Là BBĐ AC (lưới) Ỉ AC (3 pha) có tần số, điện áp thay đổi - Dùng cho điều khiển động cơ xoay chiều. A T1 T2 T3 i L Có hai dạng biến tần tĩnh: B o C KCB Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) và v o R biến tần qua trung gian một chiều. T4 T5 T6 N hình V.7.1.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một pha; - Là ứng dụng của bộ chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều - điều khiển sao cho áp ngỏ ra là một dạng sóng xoay chiều có chu kỳ. Ưu điểm: công suất lớn và rất lớn, hiệu suất cao nhờ biến đổi trực tiếp. Nhược điểm: tần số ra khá bé (≤1/3) so với tần số lưới điện, có thể khắc phục khi dùng GTO.
18. 35/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 36/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2. Biến tần có trung gian môt chiều: Bộ biến tần cần đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: Biến tần có trung gian một chiều gồm hai bộ phận: - Thực hiện được logic ba pha, Lưới Tải BIẾN TẦN chỉnh lưu đầu vào thay đổi tần số ra. nghịch lưu ở đầu ra (nguồn dòng và nguồn áp). - Điều khiển áp theo yêu cầu của tải, thuờng gặp quan hệ U/f = hằng số ĐK U ĐK f - Biến tần nguồn dòng: công suất lớn, đóng ngắt ở tần số bé, đầu vào là chỉnh lưu Hình V.7.4: Giống như nghịch lưu, biến tần có 2 SCR. - Hạn chế được sóng hài áp tín hiệu điều khiển: điện áp và tần số. (dòng): thực hiện các thuật toán SPWM LướiL Tải NL Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp - Các chức năng điều khiển tải tương ứng (trong công nghiệp là động cơ AC): 33ND L R * điều khiển áp, dòng (đ/v động cơ là tốc độ, momen) C * quá trình khởi động, hãm LướiL NL Tải Q7 ABC C NA * Bảo vệ 33 (SeÕ giới thiệu kỹ hơn trong chương 6, 7) Hình V.7.2: Biến tần có trung gian một Hình V.7.3: Mạch động lực biến tần nguồn áp dùng chiều IGBT - Biến tần nguồn áp: sử dụng các ngắt điện một chiều (có điều khiển khóa), có thể đạt chất lượng điện áp ngỏ ra rất cao. - Mạch hãm động năng: Q7 cho phép tiêu thụ lượng điện năng trả về từ tải, không để áp DC tăng cao
19. 37/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 38/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi V.8 ỨNG DỤNG: 1. Các bộ nguồn tần số cao: Bộ nguồn xoay chiều công nghiệp, phân làm các nhóm: Nguyên lý: nung nóng bằng dòng xoáy (eddy current) - Theo loại thiết bị sử dụng: máy phát điện xoay chiều (nhóm thiết bị quay) và điện Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz: tử công suất (thiết bị tĩnh). - Tần số làm việc giảm khi công suất tăng. - Tần số cần phải tăng tăng khi bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép). - Theo nguồn điện: đầu vào là nguồn một chiều hay lưới điện xoay chiều 2. Điều khiển động cơ AC dùng biến tần: - Theo dãy tần số hoạt động: chia làm các nhóm: Phương pháp phổ biến hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1. Ngỏ ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) cố định: nguồn cho các thiết bị điện 60 ⋅ f thay thế điện lưới: - bộ lưu điện (UPS – Uninterruped Power Supply) Từ trường quay có tốc độ n = ; trong đó n tính bằng vòng/phút, f : tần số o p o - Inverter (Hz) và p là số đôi cực. Rotor sẽ quay theo từ trường quay với độ trượt s hầu như không 2. Ngỏ ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến đổi. tần). Có hai nguyên lý chính: 3. Ngỏ ra trung tần hay cao tần: Từ 500 Hz đến 25 KHz khi sử dụng SCR hay cao - Điều khiển U/f hằng hơn khi dùng transistor -Điều khiển vector động cơ KĐB sử dụng các vi xử lý mới có khả năng tính toán rất - là các bộ nguồn cho các công nghệ điện: nung nóng cảm ứng, rung động siêu âm mạnh để điều khiển động cơ KĐB. của các vật liệu từ giảo. - Các bộ dao động công suất hình sin sử dụng đèn điện tử hay transistor, làm việc ở tần số từ 50 KHz đến vài MHz dùng cho tôi cao tần hay nung nóng điện môi.
20. 39/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 40/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 3. Bộ nguồn xoay chiều Điều khiển 4. Chấn lưu (ballast) điện tử: ST không gián đoạn (bộ lưu điện hay Lưới BL Tải là loại đèn được sử dụng rất phổ biến UPS uninterrupted – power – nhờ hiệu suất và tuổi thọ rất cao. supply): Nạp Nghịch Chuyển mạch nguồn Accu lưu Nguyên lý làm việc của đèn huỳnh 220 VAC quang là dựa vào sự phát sáng của chất (bột) huỳnh quang (fluorescent) khi có dòng Hình V.8.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián Hình V.8.2: Sơ đồ đèn huỳnh quang truyền điện tử va vào. đoạn thống, dùng chấn lưu là cuộn dây Bao gồm bộ nghịch lưu sử dụng accu và bộ chuyển mạch (rơ le hay TRIAC). - Khi làm việc ở điện lưới cần có điện trường cao của xung mồi ban đầu để tạo sự Vấn đề then chốt của UPS off-line là thời gian chuyển đổi, tính từ khi nguồn xem phóng điện. như bị mất đến khi xác lập áp nghịch lưu, Sơ đồ UPS hay nghịch lưu có đầu vào accu điện áp thấp dùng 2 bộ nghịch lưu: 5. Grid converter: Bộ biến đổi nạp năng lượng vào lưới: Accu Ỉ [NL1 Ỉ BA tần số cao Ỉ CL Ỉ Lọc 1 ]Ỉ NL2 Ỉ Lọc 2 Ỉ tải - nhu cầu/ khả năng sử dụng năng lượng phân tán (mặt trời, gió ) UPS ON-LINE: UPS không có bộ chuyển mạch và bộ nghịch lưu luôn làm việc BBĐ áp DC Nguồn Tải DC nạp năng lượng accu phân tán Nghịch lưu Tải AC 0 Nguồn sử dụng năng lượng mặt trời hay sức gió hoạt động độc lập (cổ điển)
21. 41/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 42/42 ch5 NL&BT /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi - Bộ biến đổi nạp năng lượng vào lưới: cần đồng bộ tần số bộ nghịch lưu và lưới điện MPPT: Khối dò tìm điểm làm việc cho công suất cực đại của bộ pin mặt trời a. Nối tiếp/song song pin mặt trời, dùng chung 1 BBĐ b. như a. nhưng dùng BBĐ một pha b. các tấm pin mặt trời dùng chung bộ nghịch lưu nối lưới, ghép sau các BBĐ tăng áp d. Micro Inverter.