Bài giảng Điện tử công suất - Chương 5: Bộ nghịch lưu, bộ biến tần

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương 5: Bộ nghịch lưu, bộ biến tần

1. Chương 3 BỘ NGHỊCH LƯU BỘ BIẾN TẦN 1
2. Giới thiệu Bộ nghịch lưu: DC → AC Phân loại theo cấu hình: ▪ Nghịch lưu nguồn áp ▪ Nghịch lưu nguồn dòng Phân loại theo tín hiệu được điều khiển ở ngõ ra bộ nghịch lưu: ▪ Bộ nghịch lưu áp ▪ Bộ nghịch lưu dòng Ứng dụng của bộ nghịch lưu: Truyền động điện động cơ xoay chiều Thiết bị gia nhiệt cảm ứng: lò cảm ứng, thiết bị hàn Các áp dụng trong lãnh vực truyền tải điện, chiếu sang 2
3. Giới thiệu Bộ biến tần: AC→ AC Biến tần gián tiếp: AC→ DC → AC Biến tần trực tiếp (Cycloconverter): AC (tần số cao) → AC (tần số thấp) Với bộ biến tần: cần thay đổi điện áp và tần số đồng thời Bộ biến tần gián tiếp 3 pha Bộ biến tần trực tiếp 1 pha 3
4. Bộ nghịch lưu áp một pha Cấu hình bộ nghịch lưu áp một pha Nguyên tắc kích: ▪ Hai công tắc bán dẫn trên cùng một nhánh cầu (S1 & S4, S3 & S2) được kích đối nghịch nhau ▪ Không có trường hợp hai công tắc trên cùng một nhánh cầu cùng dẫn hoặc cùng tắt 4
5. Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha điều khiển đơn giản: 5
6. Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha điều khiển đơn giản: Phaân tích Fourier của điện áp ngõ ra dạng xung vuông: 4.U utntt ( ).sin( =  )  n=1,3,5 n Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc leû. Ñoä meùo daïng ñieän aùp ñöôïc tính theo heä thöùc sau: 2 Ut( n) 2 2 n=2 Ut − Ut(1) THDU = = Ut(1) Ut(1) Deã daøng suy ra raèng: 2 2 4 22 UU− UUtt− (1) 2 THD == = =0,483 = 48,3% ; Ut=U U U 4 t(1) U 2 6
7. Bộ nghịch lưu áp một pha Ví duï 5.4: Cho boä nghòch löu aùp daïng caàu moät pha vôùi daïng soùng ñieän aùp cho treân hình. Giaû thieát doøng ñieän qua taûi coù daïng itt =−540sin( 4) . Nguoàn DC coù ñoä lôùn 300V. a. Veõ daïng soùng doøng taûi vaø doøng qua nguoàn vaø xaùc ñònh khoaûng daãn cuûa töøng linh kieän. b. Xaùc ñònh trò trung bình doøng qua nguoàn vaø coâng suaát do nguoàn cung caáp. c. Xaùc ñònh coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi. 7
8. Bộ nghịch lưu áp một pha a. Dạng sóng dòng tải và dòng nguồn vẽ trên hình b. Dòng trung bình qua nguồn: 1 I = 540 .sin(t − ).d(t) = 243,1A sAV 4 0 Công suất nguồn cung cấp: Ps=300.243,1=72.930W=72,93kW c. Trò hieäu duïng thaønh phaàn haøi cô baûn aùp ra: 4U 400 .300 U t(1) = = = 270,14V 2 2 540 Pt=Ut(1).It(1).cos 1 =270,14. .cos =72,930W=72,93kW 2 4 8
9. Bộ nghịch lưu áp một pha Ví duï 5.5: Boä nghòch löu aùp moät pha maéc vaøo nguoàn moät chieàu U. Taûi R = 10, L =0,01H. Boä nghòch löu aùp ñöôïc ñieàu khieån theo phöông phaùp ñieàu bieân. a- Tính ñoä lôùn nguoàn U ñeå trò hieäu duïng aùp taûi Ut = 100V. b- Vôùi aùp nguoàn xaùc ñònh ôû caâu a. Tính trò hieäu duïng haøi cô baûn của điện áp ngõ ra. c- Tính trò hieäu duïng doøng taûi . 9
10. Bộ nghịch lưu áp một pha Giaûi: a/- Trò hieäu duïng aùp taûi: Utrms = U = 100V Vaäy cần có aùp nguoàn U = 100V b/- Áp dụng phân tích Fourier cho aùp taûi ut, bieân ñoä cuûa soùng haøi baäc n cuûa aùp ra: 4U U = , n = 1, 3, 5, 7 n n Trò hieäu duïng soùng haøi cô baûn (n = 1) cuûa aùp taûi: U 4.U UV=1 = = 90,03[ ] t(1) 2 . 2 10
11. Bộ nghịch lưu áp một pha c/- Trò hieäu duïng doøng ñieän taûi coù theå tính theo heä thöùc: 1 2 It = i t .dx 2 0 Ñeå khoâng phaûi giaûi phöông trình xaùc ñònh doøng it, ta coù theå aùp duïng coâng thöùc sau : 1 2 I = i 2 t  t (j ) j =1 4U U tn( ) n 2 Vôùi Itn( ) == Z 2 2 (n) R+ ( n L) Ta thaáy baäc n cuûa soùng haøi baäc cao, trò hieäu duïng cuûa doøng ñieän töông öùng caøng thaáp. Do ñoù, ta coù theå tính it gaàn ñuùng thoâng qua vaøi haøi baäc thaáp. Ví duï choïn n = 1,3,5, Ut(k) Ut(1) [A] Ut(3) Ut(5) Ut(7) Ut(9) Ut(11) [V] 87,828 29,27 17,56 12,54 9,75 7,98 It(n) It(1) [A] It(3) It(5) It(7) It(9) It(11) [A] 8,37 2,13 0,94 0,51 0,325 0,22 Tính gần đúng It qua hài dòng bậc 1, 3, 5: 1 2 2 2 2 It (It (1) + It (3) + It (5 )) = 8,72 [A] 11
12. Bộ nghịch lưu áp một pha Ví duï 5.7: Cho boä chænh löu aùp moät pha daïng maïch caàu. Taûi thuaàn trôû R = 2,4 ; ñieän aùp nguoàn moät chieàu U= 48V. a. Tính trò hieäu duïng haøi cô baûn cuûa aùp ra ; b. Tính coâng suaát trung bình cuûa taûi ; c. Tính trò trung bình vaø trò töùc thôøi lôùn nhaát cuûa doøng ñieän qua transistor; d. Xaùc ñònh ñieän aùp khoùa lôùn nhaát ñaët leân transistor ; e. Tính heä soá bieán daïng cuûa aùp ra . 12
13. Bộ nghịch lưu áp một pha Giaûi: 4U 4.48 a. Ut(1) = = = 43 ,2[V ] . 2 . 2 b. Coâng suaát trung bình cuûa taûi : 1 2 1 2 2 2 ut .dx 2 2 U 2 0 U 48 P = t = = = = 960 [w] t R R R 2,4 c. Trò trung bình doøng qua transistor: 1 UU I= dx = =10[ A ] TAV 22 0 RR Trò töùc thôøi lôùn nhaát cuûa doøng qua transistor: U 48 i = = = 20 [ A] T max R 2,4 13
14. Bộ nghịch lưu áp một pha a. Ñieän aùp khoùa lôùn nhaát ñaët leân transistor x?y ra khi transistor cùng nhánh d?n ví duï khi S4 daãn (UT4=0): uT1= U - uT4 = U = 48[V] e. Heä soá méo daïng cuûa aùp ra: 1 2 2 1 Ut( K )  2 2 2 k =2 (Ut − Ut(1) ) THDU = = Ut(1) Ut(1) vôùi Ut= 48 [V], Ut(1)= 43,2 [V] 1 (48 2 − 43,2 2 )2 Ta ñöôïc: THD = = 0,484 U 43,2 14
15. Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM) 15
16. Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM) ur up a. Dạng sóng điều khiển ut ut(1) U -U b. Dạng sóng ngõ ra ut và hài cơ bản ut(1) 16
17. Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM) Goïi mf laø tæ soá ñieàu cheá taàn soá (Frequency modulation ratio) : fcarrier ftria m f = = freference fsin e Tăng mf → taêng giaù trò taàn soá caùc soùng haøi → dễ lọc các sóng hài hơn. Ñieåm baát lôïi cuûa vieäc taêng taàn soá soùng mang laø vaán ñeà toån hao do ñoùng ngaét lôùn. Töông töï, goïi ma laø tæ soá ñieàu cheá bieân ñoä (Amplitude modulation ratio) : U m−reference U m−sine ma = = U m−carrier U m−tri Neáu ma 1(bieân ñoä soùng sin nhoû hôn bieân ñoä soùng mang) thì quan heä giöõa bieân ñoä thaønh phaàn cô baûn cuûa aùp ra vaø aùp ñieàu khieån laø tuyeán tính. Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp moät pha, biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra: Ut(1)m = ma.U 17
18. Bộ nghịch lưu áp một pha Un/U Bậc của sóng hài Phổ tần sóng hài điện áp – điều khiển kiểu PWM 18
19. Bộ nghịch lưu áp một pha Un/U Bậc của sóng hài Phổ tần sóng hài điện áp – điều khiển kiểu sóng vuông 19
20. Bộ nghịch lưu áp ba pha 20
21. Bộ nghịch lưu áp ba pha Giaû thieát taûi ba pha ñoái xöùng thoûa maõn heä thöùc: ut1 + ut2 + ut3 = 0 Ñieän aùp pha taûi ut1,ut2,ut3. Ta coù: ut1= u10- uNO; ut2 = u20- uNO; ut3 = u30-uNO u + u + u Có thể chứng minh được: u = 10 20 30 NO 3 Thay uNO vaøo bieåu thöùc tính ñieän aùp moãi pha taûi, ta coù: 2u− u − u 2 u − u − u 2 u − u − u u=10 20 30;; u = 20 30 10 u = 30 10 20 t13 t 2 3 t 3 3 Ñieän aùp daây treân taûi: ut12 =u10 - u20; ut23 = u20 - u30 ; ut31 = u30 -u10 21
22. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) 22
23. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) 23
24. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) Phaân tích Fourier của điện áp pha (ut1, ut2, ut3): 4Un ut1( t )=  sin sin n t n=1,3,5 3n 3 42Un ut 2 ( t )=− sin sin n ( t ) n=1,3,5 3n 33 42Un ut3 ( t )=+ sin sin n ( t ) n=1,3,5 3n 33 Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc lẻ (n = 1, 3, 5 )û. Trị hiệu dụng của áp pha tải: 2 UU= t, rms 3 24
25. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) Ví duï 5.8: Boä nghòch löu aùp ba pha điều khiển kiểu 6 bước (six-step) Taûi thuaàn trôû ba pha ñoái xöùng ñaáu thaønh daïng sao. Ñoä lôùn ñieän trôû moãi pha R = 10. Taàn soá laøm vieäc cuûa boä nghòch löu aùp f= 50Hz. Điện aùp nguoàn moät chieàu U = 220V. a. Xaùc ñònh trò hieäu duïng ñieän aùp ra ; b. Vieát phöông trình soùng haøi baäc 1 cuûa ñieän aùp taûi vaø doøng taûi ; c. Tính coâng suaát taûi ; d. Tính heä soá bieán daïng cuûa aùp ra . e. Tính trò trung bình doøng ñieän qua transistor . 25
26. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) Giaûi: a. Trị hiệu dụng áp pha: 2 2 U = .U = .220 =103 ,7 [V ] t 3 3 b. Bieân ñoä soùng haøi baäc moät cuûa aùp: 4.UU 4 3 UUV=sin = . . = 0,6366. = 0,6366.220 = 140[ ] tm(1) 3. 32 3 Phöông trình soùng haøi baäc moät cuûa aùp taûi - pha A uAt(1) = 140.sin(314t) Phöông trình soùng haøi baäc moät cuûa doøng taûi- pha A 140 i = sin 314t =14.sin 314t At (1) R 26
27. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu 6 bước (six-step) c. Vì taûi thuaàn trôû neân coâng suaát taûi cho bôûi heä thöùc : 2 2 Ut 103,7 P = 3. = 3. = 3226 ,1[W ] t R 10 d. Heä soá méo daïng cuûa aùp ra: 1 2 140 2 2 1 103 ,7 − 2 2 2 2 (Ut − Ut(1) ) THDU = = = 0,312 U 140 t(1) 2 e. Trò trung bình doøng ñieän ngoõ vaøo boä nghòch löu : P 3226 ,1 I = t = = 14,664 [ A] C U 220 Caùc diode ñoái song vôùi transistor khoâng daãn ñieän. Moãi transistor daãn ñieän trong 1/3 chu kyø vôùi trò trung bình doøng ñieän qua noù baèng : IC 14,664 ITAV = = = 4,888[A] 3 3 27
28. Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM) 28
29. Bộ nghịch lưu áp ba pha Dạng sóng điều khiển và dạng điện áp ngõ ra 29
30. Bộ nghịch lưu áp ba pha Goïi mf laø tæ soá ñieàu cheá taàn soá (Frequency modulation ratio) : fcarrier ftria m f = = freference fsin e Tăng mf → taêng giaù trò taàn soá caùc soùng haøi → dễ lọc các sóng hài hơn. Ñieåm baát lôïi cuûa vieäc taêng taàn soá soùng mang laø vaán ñeà toån hao do ñoùng ngaét lôùn. Töông töï, goïi ma laø tæ soá ñieàu cheá bieân ñoä (Amplitude modulation ratio) : U m−reference U m−sine ma = = U m−carrier U m−tri Neáu ma 1(bieân ñoä soùng sin nhoû hôn bieân ñoä soùng mang) thì quan heä giöõa bieân ñoä thaønh phaàn cô baûn cuûa aùp ra vaø aùp ñieàu khieån laø tuyeán tính. Ñoái vôùi boä nghòch löu aùp ba pha, biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra: U Um= t(1) m a 2 30
31. Bộ nghịch lưu áp ba pha Ví duï 5.10 Boä nghòch löu aùp moät pha ñöôïc ñieàu khieån theo phöông phaùp ñieàu roäng xung. Soùng mang tam giaùc up coù taàn soá fp = 500Hz, bieân ñoä thay ñoåi giöõa (12V,+12V), Đieän aùp ñieàu khieån xoay chieàu udk daïng sin, taàn soá fdk = 50 Hz. Nguoàn aùp moät chieàu U = 100V. Tính bieân ñoä soùng haøi cô baûn cuûa aùp ra khi udk coù bieân ñoä UdkM baèng 1V,5V,10V,12V. Giaûi: Bieân ñoä thaønh phaàn ñieän aùp haøi cô baûn cuûa aùp taûi coù theå tính theo heä thöùc : U Um= t(1) m a 2 UdkM[V] ma Ut(1)M[V] 1 0.083 8,33 5 0,4166 41,66 10 0,8334 83,34 12 1 100 31