Bài giảng môn học Điện tử công suất - Trần Trọng Minh

204 trang haiha333 07/01/2022 3010

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn học Điện tử công suất - Trần Trọng Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_hoc_dien_tu_cong_suat_tran_trong_minh.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn học Điện tử công suất - Trần Trọng Minh

Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010
 Mục tiêu: ◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng. ◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn. ◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần. ◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC, để nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi. ◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.  Yêu cầu: ◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo, ◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ biến đổi, ◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập. 10/22/2010 2
 Đánh giá kết quả: ◦ Điểm quá trình: trọng số 0,25 ◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25 ◦ Thi cuối kỳ: 0,75  Tất cả các lần thi và kiểm tra đều được tham khảo tất cả các loại tài liệu (Open book examination). 10/22/2010 3
 1. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.  2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất; Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.  3. Giáo trình điện tử công suất; Trần Trọng Minh; NXB Giáo dục, 2009.  4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc Hải; NXB KH&KT 2009. 10/22/2010 4
 Xu hướng phát triển: dải  Vài W đến vài trăm W, công suất trải rộng, từ thành phần chính trong nhỏ, các hệ thống Power management của các  Đến lớn và rất lớn. thiết bị nhỏ.  Ứng dụng: rộng khắp, từ  Vài trăm kW đến vài chục các thiết bị cầm tay, dân MW. dụng đến các hệ thống  FACTS: hệ truyền tải, thiết bị công nghiệp.  DG – Distributed Generation, Custom Grid,  Đặc biệt: tham gia vào Renewable Energy điều khiển trong hệ thống System, năng lượng. Xu hướng Ví dụ 10/22/2010 5
 Sự phát triển của ĐTCS liên quan đến:  MOSFET, IGBT: tần số ◦ Công nghệ chế tạo các đóng cắt cao, chịu được phần tử bán dẫn công điện áp cao, dòng điện suất đạt được những lớn.  Các chip vi xử lý, vi điều bước tiến lớn. khiển, DSP 16 bit, 32 bit, ◦ Các tiến bộ vượt bậc nhanh, mạnh về điều trong công nghệ các phần khiển: tử điều khiển và lý thuyết ◦ Tích hợp ADC, đầu vào điều khiển. counter, PWM built-in; ◦ Truyền thông: I2C, CAN, UART, Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế 10/22/2010 6
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước đến nay và từ nay về sau. 10/22/2010 7
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các bộ biến đổi Điện tử công suất. 10/22/2010 8
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất. 10/22/2010 9
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi. 10/22/2010 10
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi. 10/22/2010 11
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi. 10/22/2010 12
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ biến đổi bán dẫn. 10/22/2010 13
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn. Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft- switching. 10/22/2010 14
Zero voltage switch - Zero current switch - ZVS ZCS 10/22/2010 15
 I.1 Những vấn đề chung  I.2 Điôt  I.3 Thyristor  I.4 Triac  I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)  I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)  I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)  I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)  Cần nắm được: ◦ Nguyên lý hoạt động ◦ Các thông số cơ bản (Đặc tính kỹ thuật), cần thiết để lựa chọn phần tử cho một ứng dụng cụ thể. 10/22/2010 16
 Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa ◦ Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0; ◦ Khóa: iV = 0, uV > 0; ◦ Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;  Lưu ý rằng phần tử bán dẫn nói chung chỉ dẫn dòng theo một chiều. ◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai chiều hai chiều phải kết hợp các phần tử lại.  Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại: ◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT, ◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:  Điều khiển không hoàn toàn, như Đặc tính vôn-ampe của van lý TIRISTOR, TRIAC,  Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO. chịu được điện áp thep cả hai chiều. 10/22/2010 17
 Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n ◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot Ký hiệu điôt ◦ uAK >0 iD >0; Phân cực thuận. ◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt 10/22/2010 18
 Đặc tính vôn-ampe của điôt ◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt ◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc. Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa: uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID 10/22/2010 19
 Đặc điểm cấu tạo của điôt công suất (Power diode) ◦ Phải cho dòng điện lớn chạy qua (cỡ vài nghìn ampe), phải chịu được điện áp ngược lớn (cỡ vài nghìn vôn); ◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn là một tiếp giáp bán dẫn p- n thông thường. Trong lớp bán dẫn n có thêm lớp nghèo điện tích n- Vùng nghèo n-, làm tăng khả năng chịu điện áp ngược, nhưng cũng làm tăng sụt áp khi dẫn dòng theo chiều thuận 10/22/2010 20
 Đặc tính đóng cắt của điôt ◦ Đặc tính động u (t), i (t), D D Điện tích phục hồi Qrr Thời gian phục hồi trr Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến do vùng n- còn thiếu điện tích giá trị Irr rồi về bằng 0. 10/22/2010 21
 Các thông số cơ bản của điôt  Tại sao lại là dòng trung bình? ◦ Giá trị dòng trung bình cho ◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt. ◦ Cho ví dụ: phép chạy qua điôt theo 1 tT0 Iitdt chiều thuận: ID (A) DDT ◦ Giá trị điện áp ngược lớn t0 nhất mà điôt có thể chịu  Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị, ◦ Repetitive peak reverse voltages, U đựng được, U (V) RRM ng,max ◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM ◦ Tần số, f (Hz) ◦ Direct reverse voltages, UR  ◦ Thời gian phục hồi, trr (μs) Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn và điện tích phục hồi, Qrr (C) thất khi dẫn.  Ba loại điôt công suất chính:  Trang WEB của Proton- ◦ 1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan Electrotex, Nga tâm đến trr. ◦ ◦ 2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode. ◦ 3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt  Trang WEB của PowerRex áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng ◦ cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V. 10/22/2010 22
 Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, Ký hiệu thyristor J2, J3.  Có 3 cực: ◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng, ◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng, ◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.  Là phần tử có điều khiển. Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận.  Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot ◦ uAK >0 ; Phân cực thuận. ◦ u < 0 ; Phân cực ngược AK Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor. 10/22/2010 23
Lớp n- làm tăng khả năng chịu điện áp Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương. 10/22/2010 24
 Đặc tính vôn-ampe của thyristor  1. Đặc tính ngược: UAK 0.  2.1. Khi UGK = 0, ◦ Cho đến khi UAK 0, ◦ Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại UAK I , gọi Ur: reverse voltage V h là dòng duy trì (Holding current). Uf: forward voltage 10/22/2010 25
 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV ◦ Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng IV. ◦ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng IV. ◦ Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng IV.  2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max  3. Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs) ◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa. ◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần tr. ◦ trr phân biệt thyristor về tần số:  Tần số thấp: trr > 50 μs;  Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs trr càng nhỏ, càng đắt 10/22/2010 26
 4. Tốc độ tăng dòng cho phép,  Minh họa hiệu ứng dU/dt tác dI/dt (A/μs) dụng như dòng mở van ◦ Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100 A/μs. ◦ Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500 A/μs.  5. Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/μs) ◦ Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 – 100 V/μs. ◦ Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 – 500 V/μs.  6. Thông số yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển, (UGK, IG) ◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng. ◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih 10/22/2010 27
10/22/2010 28
10/22/2010 29
 Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất của các bộ biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện áp cao. Phải làm thế nào? ◦ Lĩnh vực ứng dụng công suất nhỏ: rất quan trọng nhưng phải có một chương trình khác.  Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS trong điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm bảo chất lượng điện áp. Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán. ◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy điện đã được đề cập đến trong các môn học về Truyền động điện. Không đề cập ở đây. ◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay những bộ nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy đủ trong chương trình ĐTCS cơ bản. 10/22/2010 30
10/22/2010 31
10/22/2010 32
10/22/2010 33
10/22/2010 34
10/22/2010 35
10/22/2010 36
10/22/2010 37
1. Xác định trạng thái van state  Sơ đồ nghịch lưu 3 mức switch: ◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C); ◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm L). 2. Với mỗi trạng thái van xác định vector trạng thái state vector 3. Xây dựng đồ thị vector không gian: các vector biên và các sector.  Trạng thái van được phép: 4. Cho vector mong muốn dưới j dạng hệ tọa độ cực , Ue r , hoặc dạng tọa độ, . Ký Trạng thái van Điện áp (,)uu  hiệu ra 5. Tính toán hệ số biến điệu tùy S1x S2x S3x S4x theo vị trí của vector mong muốn nằm trong sector nào. P 1 1 0 0 E / 2 6. Lựa chọn tổ hợp van đóng cắt phù hợp. 0 0 1 1 0 0 N 0 0 1 1 – E / 2 10/22/2010 38
Trạng thái van ua ub uc u/E Vectơ NNN – 000 – PPP 0 0 0 0 V0 P00 – 0NN 1/3E -1/6E -1/6E 1/310 j V1 PP0 – 00N 1/6E 1/6E -1/3E 1/31/ 23 / 2j V2 . 0P0 – N0N -1/6E 1/3E -1/6E V3 1/31/ 23 / 2 j 0PP – N00 -1/3E 1/6E 1/6E 1/31/ 20 j V4 00P – NN0 -1/6E -1/6E 1/3E 1/31/ 23 / 2 j V5 P0P – 0N0 1/6E -1/3E 1/6E 1/3 1/ 2 j 3 / 2 V6 PNN 2/3E -1/3E -1/3E 2/310 j V7 P0N 1/2E 0 -1/2E 1/33/ 23 / 2j V8 PPN 1/3E 1/3E -2/3E 2/31/ 23 / 2j V9 0PN 0 1/2E -1/2E 2/303 / 2j V10 NPN -1/3E 2/3E -1/3E 2/31/ 23 / 2 j V11 NP0 -1/2E 1/2E 0 1/3 3/ 2j 3 / 2 V12 NPP -2/3E 1/3E 1/3E V13 2/310 j N0P -1/2E 0 1/2E 1/3 3/ 2j 3 / 2 V14 NNP -1/3E -1/3E 2/3E 2/31/ 23 / 2 j V15 0NP 0 -1/2E 1/2E 2/3 03 / 2j V16 PNP 1/3E -2/3E 1/3E 2/3 1/ 23 /j 2 V17 PN0 1/2E -1/2E 0 1/3 3/ 23 /j 2 V18 10/22/2010 39
 Quy luật tổng hợp vector đầu ra  Vector không gian: mong muốn khi vector nằm ◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV, trung trong một tam giác bất kỳ: bình MV, nhỏ SV (và vector không) ◦ u = p + d + d , ◦ 18 vector chia mặt phẳng ra 6 sector 3 1 2 , mỗi sector chứa 4 tam giác đều. ◦ d1 = d1(p1 – p3); d2 = d2(p2 – p3); d1, d2 là tỷ lệ độ dài so với cạnh tương ứng của tam giác.  V11 II V10 V9 ◦ u = p3 + d1(p1 – p3) + d2(p2 – p3) ◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2. I III V12 V8 p2 V3 V2 u d2 V13 V4 V1 V7 p3 d1 p1 V5 V6 V14 V18 IV VI V15 V16 V V17 10/22/2010 40
 Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng của dòng điện như mong muốn: ◦ Không sai lệch; ◦ Thời gian đáp ứng trong phạm vi cho phép; ◦ Tần số cắt ωCL < 1/10 ωs 10/22/2010 41
10/22/2010 42
10/22/2010 43
 Dùng bộ điều chỉnh PI xoay chiều. 10/22/2010 44
 Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.  Có sai số tĩnh do độ dịch pha của tín hiệu xoay chiều. 10/22/2010 45
 Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.  Không sai số tĩnh.  Có liên hệ chéo, phức tạp. 10/22/2010 46
 Bộ điều chỉnh PI với các thành phần một chiều.  Không sai số tĩnh.  Phức tạp vì cần nhiều phép biến đổi tọa độ. 10/22/2010 47
 Cách thực hiện.  Lưu ý cấu trúc liên hệ chéo. 10/22/2010 48
 Cấu trúc tương tự  Cấu trúc gián đoạn số 10/22/2010 49
 Phần tỷ lệ P không thay đổi qua các phép quay tọa độ  Chỉ có khâu tích phân I chịu tác động của phép quay.  Biến đổi Laplace cho thấy phần tích phân tương đương với khâu cộng hưởng trong hệ tọa độ tĩnh. 10/22/2010 50
 Tính chất quan trọng: ◦ Không cần nhiều phép biến đổi; ◦ Tác động có tính chọn lọc về tần số; ◦ Thích hợp cho ứng dụng trong lọc tích cực. ◦ Có thể thiết kế nhiều khâu tích phân song song để đảm bảo tính lọc cho các sóng hài bậc cao hơn như bậc 5, 7, 11, 10/22/2010 51
 Đáp ứng của bộ điều chỉnh  Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI thông thường: PI cộng hưởng: ◦ Có sai số tĩnh do lệch pha ◦ Không sai số tĩnh ◦ Đáp ứng còn chậm do các sóng hài bậc cao. Có thể cải thiện đặc tính nếu thêm vào các mắt lọc bậc cao hơn. 10/22/2010 52
 Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng  Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng  Lý thuyết tính toán dòng công suất 10/22/2010 53
10/22/2010 54
10/22/2010 55
05/03/2011 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 •Các vấn đề chung về chỉnh lưu •6 sơ đồ chỉnh lưu cơ bản •Nguyên lý hoạt động •Tính toán các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 2 1
05/03/2011 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Chỉnh lưu là gì?  Bộ biến đổi biến điện áp xoay chiều, thường là lấy vào từ lưới điện, thành điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều.  Phụ tải điện một chiều rất đa dạng:  Các quá trình công nghệ, thường đòi hỏi nguồn một chiều với dòng điện rất lớn, từ vài trăm A đến hàng nghìn A, như công nghệ điện hóa mạ, điện phân, hàn hồ quang, ;  Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC;  Các bộ lọc bụi tĩnh điện, yêu cầu điện áp đến 120 kVDC, dòng điện đến vài A;  Các hệ thống kích từ tĩnh cho các hệ máy phát điện công suất lớn;  Bản thân bộ nguồn cho các thiết bị điện tử, viễn thông. 10/02/2011 3 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu 10/02/2011 4 2
05/03/2011 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản 10/02/2011 5 2.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu  Phân loại và tên gọi các sơ đồ chỉnh lưu:  số pha – sơ đồ van – có điều khiển hay không điều khiển (dùng điôt hay thyristor hay cả hai loại).  Ví dụ:  Sơ đồ chỉnh lưu 1-pha hình tia không điều khiển (dùng điôt)  Sơ đồ chỉnh lưu 3-pha cầu điều khiển hoàn toàn (dùng thyristor). 10/02/2011 6 3
05/03/2011 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Dựa vào các thông số cơ bản để có thể thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu hoặc đặt hàng mua, thuê chế tạo chỉnh lưu cho một ứng dụng cụ thể nào đó.  Thông số cơ bản thể hiện các đặc tính kỹ thuật chính của bộ chỉnh lưu (Main Technical Specification).  Các thông số cơ bản thể hiện qua điện áp chỉnh lưu yêu cầu:  Điện áp và dòng chỉnh lưu yêu cầu, (Ud, Id);  Hoặc điện áp và công suất chỉnh lưu yêu cầu, (Pd, Ud);  Các thông số cũng phải thể hiện qua điện áp xoay chiều phía lưới: số pha, cấp điện áp, tần số. Ví dụ: nguồn cấp lấy từ lưới điện 3x380V, 50 Hz hoặc một pha 220 V, 50 Hz. 10/02/2011 7 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Chia làm 4 nhóm:  1. Thông số xác định chất lượng của điện áp chỉnh lưu  Điện áp chỉnh lưu chỉ là các mảnh của điện áp xoay chiều phía lưới.  Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp lưới, n. n càng lớn càng tốt;  n thể hiện sự bằng phẳng của điện áp. Ví dụ n=3 10/02/2011 8 4
05/03/2011 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  2. Nhóm các thông số liên quan đến van bán dẫn  Các thông số này cần thiết để lựa chọn van cho sơ đồ chỉnh lưu;  Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn.  Hai thông số cơ bản để lựa chọn van: Dòng trung bình qua van thể hiện qua dòng chỉnh lưu yêu cầu ID(Id).  Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van trong quan hệ với điện áp chỉnh lưu yêu cầu Ung,max(Ud). 10/02/2011 9 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  3. Nhóm các thông số liên quan đến máy biến áp  Các thông số này cần thiết để thiết kế, chế tạo hoặc đặt hàng máy biến áp. Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn về khả năng tận dụng công suất máy biến áp.  Công suất tính toán máy biến áp Sba(PD) (kVA). Sba xác định kích thước mạch từ máy biến áp (khối lượng sắt từ, kích cỡ cửa sổ, tiết diện mạch từ chính).  Tỷ số máy biến áp, điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp, kba, U1, U2. Các thông số này xác định số vòng dây cuốn. w1, w2.  Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp, thứ cấp MBA, I1, I2. Thông số này xác định tiết diện dây cuốn MBA.  Không phải chỉnh lưu nào cũng phải dùng MBA?  Khi đó S xác định công suất chỉnh lưu huy động từ lưới điện.  Dòng điện cho biết cần chọn kích cỡ dây cấp điện cho sơ đồ như thế nào. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ như aptomat hoặc thiết bị đóng cắt như công-tắc-tơ thế nào. 10/02/2011 10 5
05/03/2011 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  4. Nhóm các thông số liên quan đến ảnh hưởng của sơ đồ chỉnh lưu đối với lưới điện  Thành phần sóng hài của dòng xoay chiều đầu vào chỉnh lưu, thể hiện qua hệ số méo phi tuyến 25 2  Ik  k 1 I1  Trong đó Ik giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc k, I1 là hiệu dụng sóng cơ bản.  Hệ số công suất cos , trong đó là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp.  Khi công suất chỉnh lưu càng lớn thì ảnh hưởng của những thông số trên đến lưới điện càng nghiêm trọng. 10/02/2011 11 2.1.5 Các thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu  Nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu nghĩa là làm rõ các thông số cơ bản trên đây.  Không phải sơ đồ nào ta cũng chỉ ra tất cả các thông số cơ bản nhưng phương pháp và cách thức tính toán phải nắm được.  Để đơn giản cho người học một số giả thiết được sử dụng hoặc đưa vào dần dần. Ví dụ lúc đầu sẽ giả thiết lưới điện có công suất vô cùng lớn so với công suất chỉnh lưu yêu cầu nên nhóm thông số thứ tư sẽ chưa được đả động đến. 10/02/2011 12 6
05/03/2011 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ đơn giản nhất, rất ít ứng dụng thực tế.  Nhắc lại một số khái niệm về điện  Giải thích hệ thống kí hiệu thường dùng.  Phân tích nguyên lý hoạt động của một sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất.  Giả sử tải thuần trở Rt  Dòng điện lặp lại dạng như điện áp. 10/02/2011 13 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Giả sử điện áp sơ cấp, thứ cấp  Dòng chỉnh lưu trung bình: máy biến áp có dạng: m m m I UU2 u U sin ; d 2 2 1 1 Id m RRt t u2 U 2 sin UUm, m  1 2 giá trị biên độ;  Điện áp ngược lớn nhất trên van:  UUm 2 U là giá trị hiệu dụng. UUU m 2   t góc pha, [rad]; ng,max 2 2   2 f tần số góc, [rad/S];  f: tần số điện áp lưới, [Hz].  Điện áp chỉnh lưu trung bình tính được như sau: m m 1 1 UUU 2 U u d Um sin  d  2 c os  2 2 d 2 2 0 2 0 2 0 2 10/02/2011 14 7
05/03/2011 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Sơ đồ dùng thyristor, có ứng dụng trong các bộ điều khiển kích từ các máy phát điện nhỏ.  Tải là cuộn dây kích từ, có điện cảm lớn.  Sơ đồ phải có điôt D0, gọi là điôt không (free wheeling diode) để khép kín đường dòng điện khi thyristor V khóa lại. 10/02/2011 15 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ  Khái niệm về góc điều khiển , góc chậm pha của tín hiệu điều khiển so với thời điểm điện áp nguồn qua không.  Khi = 0 sơ đồ hoạt động giống như chỉnh lưu dùng điôt.  Dòng điện có dạng phức tạp hơn:  Khi V thông: di Lt R i Um sin  t tdt t t 2  Khi D0 thông: di Lt R i 0 tdt t t  Giải hệ p/t này, với lưu ý it i t  2 2  Sẽ có dạng dòng điện như hình (b). 10/02/2011 16 8
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt Sơ đồ nguyên lý. Xét hai loại tải (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. Trong Điện tử công suất ta sẽ quan tâm chủ yếu đến 3 loại tải: R, RL, RLE Đồ thị dạng dòng điện, điện áp; (a) Tải thuần trở R; (b) Tải trở cảm RL. 10/02/2011 17 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt  Khái niệm về tải tương đương hay tải tổng quát • Tải: bộ phận biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, quang năng. • Tải R: thể hiện điện năng biến thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, ánh sáng, không nhất thiết phải là điện trở. • Tải RL: thành phần điện cảm thể hiện có quá trình trao đổi giữa điện và từ. Điện cảm là kho từ, có tính chất là dòng điện qua nó không thể đột biến được. • Tải RC: tụ điện thể hiện điện biến thành điện. Tụ là kho điện, có tính chất là điện áp trên nó không thể đột biến được. • Tải RLE: sức điện động E thể hiện nguồn điện, có bản chất khác điện. Ví dụ s.đ.đ của động cơ có bản chất cơ năng, s.đ.đ của acquy có bản chất hóa năng. 10/02/2011 18 9
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Điện áp chỉnh lưu trung bình: 1 U Um sin d  d 2 0 1 2 2 2 UUUUm cos m 0,9 2 0 2 2 2  Các thông số của van: Id  Dòng trung bình qua điôt: I D 2 m  Điện áp ngược lớn nhất trên van: UUUng,max 2 2 2 2 2  Các thông số của MBA :  Điện áp thứ cấp MBA: UU2 d 2 2  Điện áp sơ cấp MBA: U k U k U 1ba 2 ba2 2 d 10/02/2011 19 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Các thông số của MBA:  Dòng chỉnh lưu trung bình biểu diễn qua giá trị biên độ có dạng giống như điện áp: 2 m Id I2 hay I 2 I d  Dòng điện thứ cấp MBA: 2 m 1m 2 I 1 cos2 I Isin d  2 d  2 2 2 02 0 2 IIm m I 2 2 d 2 2 2 4  Dòng điện sơ cấp MBA: m m II11 2 Id I1 2 2kba 2 2 k ba 10/02/2011 20 10
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Các thông số của MBA: SS1 2  Công suất tính toán MBA: Sba 2  2 SUIUIP2 2 2 2 2 d d d Nói một cách khác 2 24 4 2 nữa là sơ đồ này sử 2 dụng MBA rất kém Id S U I k U P (so với các sơ đồ 1 1 1 ba dk 8 d 2 2 2 2 ba khác sau đây). 1 2 2 2 1 1 SPPPba d d 1,48 d  2 4 2 8 4 2 2 Biểu thức này nói lên rằng công Nói cách khác là sơ đồ chỉnh lưu suất tính toán của MBA phải gấp một pha hình tia huy động công rưỡi lần công suất chỉnh lưu yêu suất gấp 150% công suất tiêu thụ cầu 10/02/2011 21 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.1 Sơ đồ dùng điôt, tải RL  Điện áp chỉnh lưu, giống 2 2 2 như ở sơ đồ tải thuần trở: UUUU m 0,9 d 2 2 2 1 2 I I I d d  Dòng thứ cấp MBA: 2 d 2 0 2 2 1 2 II  Dòng sơ cấp MBA: I d d d 1 2 0 kba k ba  1 Công suất tính toán MBA: SPPba d 1,34 d 2 2 2 2 10/02/2011 22 11
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (a) Tải thuần trở; (b) tải trở cảm; (c) Tải RLE. 1 U m U Um sin d  2 cos  d 2 m 2U2 1 cos 1 cos U d 0 2 2 Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu. Khi 0 p thì Ud =Ud0-0. 10/02/2011 23 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải trở cảm  Với tải RL giả thiết L= , nghĩa là dòng tải được là phẳng hoàn toàn, các bước phân tích sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều.  Do dòng tải liên tục mỗi van sẽ dẫn 180.  Điện áp chỉnh lưu có phần âm do van không thể khóa lại nếu dòng qua nó chưa về không và van kia chưa mở ra. 1 U m U Um sin d  2 cos  d 2 2U m 2 cos U cos d 0 Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu. Khi 0 p/2 thì Ud =Ud0-0. Biểu thức đúng với mọi sơ đồ chỉnh lưu nếu dòng tải là liên tục. 10/02/2011 24 12
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE  Tải RLE là dạng tải phức tạp nhất.  Không thể dùng giả thiết đơn giản L= được nữa vì ảnh hưởng của s.đ.đ có thể làm cho dòng tải nhỏ, không thể Liên duy trì dòng liên tục nữa. tục  Phải xét 3 chế độ làm việc: Tới  1. Dòng tải liên tục mỗi van sẽ dẫn hạn 180.  2. Dòng tải gián đoạn, góc dẫn của van <p.  3. Chế độ tới hạn, giữa chế độ dòng tải liên tục và dòng gián đoạn, mỗi van sẽ dẫn 180. Gián đoạn 10/02/2011 25 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE  Phân tích áp dụng cho trường hợp tổng quát đối với các chỉnh lưu n-pha.  Các chế độ dòng điện phụ thuộc vào các thông số của sơ đồ: góc điều khiển, các thông số của tải Ld, Rd.  Góc điều khiển quy đổi về thời điểm điện áp nguồn qua 0, n là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu: 2 n  Các thông số của tải: 2 2 XLd d ZRL d d Q arctgQ RRd d Tiếp theo tính toán theo 3 chế độ dòng điện 10/02/2011 26 13
05/03/2011 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE (1) Chế độ dòng liên tục  Góc dẫn của van  2 / n  Tính toán theo biểu thức: UUd d 0 cos , UEd d Id . Rd (2) Chế độ dòng gián đoạn  Giải phương trình siêu việt để xác định góc dẫn của van:   E Z sin  sin eQQ d 1 e m UR2 d  Sau đó tính toán điện áp chỉnh lưu theo biểu thức: n 2  UUE m cos cos   d 2 d  2 n  10/02/2011 27 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia 2.3.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RLE (3) Chế độ tới hạn  Tính toán góc điều khiển tới hạn: 2 2 2 E Z sin sin enQ d 1 e nQ th th m n U2 Rd  Chế độ dòng liên tục khi: th  Chế độ dòng gián đoạn khi: th 10/02/2011 28 14
05/03/2011 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Chỉnh lưu cầu một pha  Rất nhiều điểm giống sơ đồ tia:  Dạng điện áp chỉnh lưu  Dạng dòng qua các van  Được ứng dụng rộng rãi  Khác sơ đồ tia ở dạng điện áp trên van  Có thể dùng MBA hoặc không 10/02/2011 29 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Điện áp chỉnh lưu 2UUm 2 2 UU 2 2 0,9 d 2  Dòng I2 I m 1 III d 2 2 22 d 2 2 d  Dòng I1 1 1 III1 2 d kba k ba 2 2  Công suất tính toán MBA 2 SSSUIUIPPba| 1 2 2 2 d d d 1,23 d 2 2 2 2 4 Ung,max chỉ bằng một nửa so với sơ đồ  Điện áp trên van: m UUUng,max 2 2 2 hình tia 10/02/2011 30 15
05/03/2011 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R, RL 10/02/2011 31 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R, RL 1 cos UU UUd d 0 cos d d 0 2 10/02/2011 32 16
05/03/2011 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.3 Sơ đồ không đối xứng RL  Dạng không đối xứng: Van có catot chung nên có thể điều  Dùng ít van điều khiển, khiển trực tiếp mạch điều khiển đơn giản hơn.  Lợi về hệ số công suất cao hơn.  Có hai dạng chính, sơ đồ (a) và (b).  Sơ đồ (a) được dùng nhiều hơn vì có thể điều khiển van trực tiếp, không cần cách ly. 10/02/2011 33 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2.4.3 Sơ đồ không đối xứng, tải RL Điện áp chỉnh lưu trung bình: 1 cos UU d d 0 2 / 2 Sơ đồ cho lợi thế về hệ số công suất so với sơ đồ điều khiển hoàn toàn 10/02/2011 34 17
05/03/2011 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Sơ đồ cơ bản, từ đó xây dựng  Sơ đồ nguyên lý: nên các sơ đồ nhiều pha, đáp ứng công suất lớn.  Khi công suất yêu cầu lớn bắt buộc phải dùng sơ đồ ba pha:  Chất lượng điện áp tốt hơn;  Dòng xoay chiều đầu vào có dạng tốt hơn (thành phần sóng hài bậc cao thấp).  Không làm mất cân bằng pha.  Sơ đồ nhiều pha là các tổ hợp song song hoặc nối tiếp các sơ đồ tia ba pha (3-pha, 6-pha, 12- pha, 24-pha, 36-pha ). 10/02/2011 35 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Hệ thống điện áp 3 pha, có  Biểu diễn hệ thống 3 pha thể biểu diễn qua hàm sin thuận tiện bằng biểu đồ hoặc hàm cos: vector: m uA U1 sin , m 2 uB U1 sin  , 3 120 m 2 uC U1 sin  . 120 3 120  Điện áp dây:    UUUAB A B ;    UUUBC B C ; 10/02/2011 36 18
05/03/2011 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R n=3  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu  Quy tắc xác định van dẫn:  Catot chung: van nào có anot dương nhất sẽ dẫn;  Anot chung: van vào có catot âm nhất dẫn.  Bảng xác định van dẫn và sự hình thành điện áp chỉnh lưu.  Pha ++ Van dẫn ud 1 - 2 ua D1 ua 2 - 3 ub D2 ub 3 - 4 uc D3 uc 10/02/2011 37 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Tính điện áp chỉnh lưu trung bình, áp Dạng điện áp chỉnh dụng cho chỉnh lưu n-pha tổng quát: lưu n-pha n 1 mn mn n m UUUUd 2cos d  2 sin  2 sin 2 2 n n n n Um  Áp dụng cho chỉnh lưu tia 3-pha: n=3, 2 3m 3 3 m 3 6 UUUUUd 2sin 2 2 1,17 2 3 2 2 θ  Các thông số của van: 2 n n 2  Dòng trung bình: ID=Id/3  Điện áp trên van bằng biên độ của điện áp dây: m UUUUng, m ax 2, l 2 l 6 2 10/02/2011 38 19
05/03/2011 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R Mạch từ MBA 3 pha  Tính toán các thông số MBA: m 2 3 2 m II IId d d2 d 3 2  Dòng thứ cấp MBA: 3 3 2 3m 3 m 1 cos 2 I Icos d  I d  0,58 I 2 d d d 2 2 2 3 3 Phương trình iw i w i w 0  Tính toán dòng sơ cấp phức tạp cân bằng sức từ A1 a 2 B 1 động hơn, ví dụ khi D1 dẫn: iBCw1 i w 1 0. Phương trình i i i 0 2w 2 2 1 ABC iA i a k ba i a;. i B i C k ba i a cân bằng dòng 3 w1 3 3 điện 10/02/2011 39 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng điôt, tải R  Tính toán các thông số MBA:  Dòng sơ cấp MBA 12 1 3 3 1 I i d I 2 0,47 I 1 A d d 2 kba 4 3 2 k ba  Công suất tính toán MBA: U S 3 U I 3 k U I 3d 0, 47 I 1,21 P ; 1 1 1ba 2 1 1,17 d d U SUIIP 3 3d 0,58 1,49 ; Công suất MBA gấp 2 2 2 1,17 d d 1,35 lần công suất SS 1 chỉnh lưu yêu cầu. SPP 1 2 1,21 1,49 1,35 . ba2 2 d d 10/02/2011 40 20
05/03/2011 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.1 Sơ đồ dùng thyristor i V1 A 1 a R V2 id B b C V3 Zt R L c ud N (a) (b) Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha thyristor, xét với hai loại tải. (a) Tải thuần trở; (b) Tải trở cảm. 10/02/2011 41 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.2 Sơ đồ dùng thyristor 30  Xét tải thuần trở R  Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử trên sơ đồ với góc điều khiển =30.  Với sơ đồ 3 pha góc điều khiển tính từ các điểm chuyển mạch tự nhiên.  Với 30 dòng tải liên tục, UUd d 0 cos  Với 30 dòng tải gián đoạn 3 3 U Umsin d  U m cos 1 . d 2 2 2 2 6 6  Dải điều chỉnh: 5 0  ,UU  0 6 d d 0 10/02/2011 42 21
05/03/2011 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 2.5.2 Sơ đồ dùng thyristor 45  Xét tải trở cảm RL, L= .  Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử trên sơ đồ với góc điều khiển =45.  Trong mọi trường hợp điện áp chỉnh lưu có dạng: UUd d 0 cos  Dải điều chỉnh: 0  ,UU  0 2 d d 0 10/02/2011 43 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ quan trọng nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu:  Có ứng dụng thực tế rộng rãi.  Chất lượng điện áp ra tốt, dòng đầu vào có dạng đối xứng, khai thác tốt công suất huy động từ lưới hay là từ máy biến áp.  Sơ đồ cũng thường được dùng để nối trực tiếp với lưới điện ba pha mà không cần dùng máy biến áp.  Có thể coi chỉnh lưu cầu ba pha như một dạng mắc nối tiếp của hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha.  Các chỉnh lưu nhiều pha đều được cấu tạo từ các dạng nối khác nhau của sơ đồ nhiều pha cơ bản nhất, đó là chỉnh lưu tia ba pha. 10/02/2011 44 22
05/03/2011 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cấu tạo từ 6 điôt: D1, D2, D3 mắc catôt chung, D2, D4, D6 mắc anôt chung.  Thứ tự đánh dấu các van trên sơ đồ phù hợp với thứ tự vào làm việc của các van sau mỗi 60, với điều kiện điện áp pha đầu vào cung cấp theo đúng thứ tự pha A, B, C như hình vẽ.  Sơ đồ có thể dùng với máy biến áp hoặc không, tuỳ thuộc vào yêu cầu có cần phải phối hợp mức điện áp hay không. 10/02/2011 45 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu:  Bảng xác định van dẫn theo hai nhóm van catot chung và anot chung  Pha dương nhất Pha âm nhất Van dẫn ud = u u D6, D1 u 1  2 a b ab ua uc D1, D2 uac 2  3 u u D2, D3 u 3  4 b c bc ub ua D3, D4 uba 4  5 u u D4, D5 u 5  6 c a ca u u D5, D6 u 6  7 c b cb 10/02/2011 46 23
05/03/2011 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Sự hình thành điện áp chỉnh lưu:  Điểm P, catot chung, có thế là đường bao phía trên các đường điện áp pha.  Điểm Q, anot chung, có thế là đường bao phía dưới các đường điện áp pha. N=6  Điện áp chỉnh lưu UPQ là các phần của điện áp dây, uab, uac, abc, uba,  Sử dụng công thức tính tổng quát cho trường hợp chỉnh lưu n-pha, với n=6: 6m 3 m UUUd 2, lsin 2, l m 6 U2,l giá trị biên độ của điện áp dây.  Biểu diễn Ud qua điện áp pha: 3 3 3 6 UUUU m 2,34 d 2 2 2 10/02/2011 47 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.1 Sơ đồ dùng điôt  Tính toán thông số 3 II m d d  Dòng thứ cấp MBA có dạng đối xứng nên dòng sơ cấp cũng như vậy, chỉ khác nhau về tỷ số MBA. Công suất tính toán của bên sơ và bên thứ bằng nhau. 6 6 12 1 1 3 I 4 Im cos d  I m 1 cos 2  d  I m 2 d d d 2 3 2 6 6 II2 0,816d . Biểu thức cho thấy chỉnh lưu  Công suất tính toán MBA: cầu 3 pha sử dụng MBA tốt nhất trong các sơ đồ. SSSUIPba 1 2 3 2 2 1,05 d Công suất huy động chỉ hơn công suất chỉnh lưu yêu cầu 5% 10/02/2011 48 24
05/03/2011 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor  Nguyên lý hoạt động  Hai nhóm van (V1, V3, V5) và (V2, V4, V6) có thể coi như hai sơ đồ tia 3 pha. Góc điều khiển tính từ các điểm chuyển mạch tự nhiên, là các điểm đường điện áp pha cắt nhau. Trong một chu kỳ có 3 điểm chuyển mạch tự nhiên phía trên và 3 điểm chuyển mạch tự nhiên phía dưới trên đồ thị điện áp pha. 10/02/2011 49 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải R  Thế của P và Q so với 0 là dạng điện áp ra của một chỉnh lưu hình tia ba pha.  Điện áp giữa P và Q là dạng điện áp ra của chỉnh lưu cầu ba pha biểu diễn trên hệ thống điện áp dây uab, uac, ubc,  0 60 dòng ra tải là liên tục, điện áp chỉnh lưu bằng: UUd d 0 cos  60 dòng id sẽ bằng 0 ở p trên đường điện áp dây khi điện áp này đổi cực tính, dòng tải sẽ là gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu: m 3 m 3U2,l U Usin d  cos  d 2, l 3 3 3 6U2 1 cos 3  Vùng điều chỉnh: 2 0  ,UU  0 3 d d 0 10/02/2011 50 25
05/03/2011 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.2 Sơ đồ dùng thyristor, tải RL  Đồ thị biểu diễn dạng điện áp, dòng điện với góc điều khiển =75.  Gải thiết L= , dòng ra tải là liên tục, điện áp chỉnh lưu luôn có dạng: UUd d 0 cos  Vùng điều chỉnh: 0  ,UU  0 2 d d 0 10/02/2011 51 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha 2.6.3 Điều khiển chỉnh lưu cầu  Trong chỉnh lưu cầu ba pha, tại một thời điểm bất kỳ, dòng phải chảy qua ít nhất là hai van, một thuộc nhóm catôt chung, một thuộc nhóm anôt chung.  Nếu điều khiển các tiristo bằng các xung ngắn thì sơ đồ sẽ không khởi động được hoặc không làm việc được trong chế độ dòng gián đoạn.  Điều khiển bằng hệ thống xung kép.  Điều khiển bằng xung rộng.  Băm xung có độ rộng lớn thành một chùm xung có độ rộng nhỏ hơn bằng cách trộn xung rộng với xung có tần số cao, cỡ 8-10 KHz, ứng với chu kỳ xung cỡ 100 – 125 S. Cách này gọi là điều khiển bằng xung chùm. 10/02/2011 52 26
05/03/2011 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Nếu sơ đồ cầu là dạng nối tiếp thì sơ đồ 6 pha, có cuộn kháng cân bằng là dạng nối song song hai sơ đồ tia 3 pha.  Nối tiếp: có lợi về điện áp. Song song: có lợi về dòng điện.  Cấu tạo: gồm máy biến áp động lực, cuộn kháng cân bằng Lcb, sáu điôt chia làm hai nhóm, D1, D3, D5 và D2, D4, D6.  Máy biến áp có cấu tạo Y/YY hoặc /YY, có hai hệ thống thứ cấp, ua, ub, uc và ua’, ub’, uc’, nối trung tính riêng biệt tại điểm P (ua, ua’), (ub, ub’), (uc, uc’) và điểm Q. ngược pha nhau 180.  Hai trung tính P và Q nối với Hệ thống điện áp ua, ub, uc và nhau thông qua cuộn kháng cân ua’, ub’, uc’ có thể coi là một bằng Lcb. hệ thống điện áp 6-pha. 10/02/2011 53 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Cấu tạo của cuộn kháng cân bằng như một biến áp tự ngẫu. Ví dụ khi D1, D2 cùng dẫn, ta có mạch điện tương đương: uNP u a u NM u MP , uNQ u c' u NM u MQ . 2uNM u a u c' u MP u MQ uMP u QM u MQ Điện áp chỉnh lưu ua u c' uNM u d ; Điện áp trên cuộn kháng 2 cân bằng uPQ u Lcb u PN u NQ u a u c'. 10/02/2011 54 27
05/03/2011 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Điện áp chỉnh lưu là trung bình cộng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha, vì vậy có giá trị bằng: 3 6 UUU 1,17 d 2 2 2  Điện áp trên cuộn kháng u =u gần như các xung răng cưa, tần số bằng ba L,cb PQ 1 lần tần số điện áp lưới, biên độ bằng U m . 2 2 1 m  Một cách gần đúng có thể coi uL,cb là hình sin với biên độ U 2 , dòng cân 2 bằng cũng có dạng sin, chậm pha so với điện áp 90 . U L, cb U 2 Icb 3LLcb 6  cb  Cần hạn chế dòng cân bằng cỡ 5-10% Id, vì vậy có thể xác định giá trị cuộn kháng cần thiết: U 2 Lcb 6 0,1Id  Công suất của cuộn kháng cân bằng: SUIPL, cb ( 2 / 2)( d / 2) 0, 21 d 10/02/2011 55 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng  Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng, dòng tải một chiều Id coi như được lọc phẳng và được chia đôi cho mỗi cầu chỉnh lưu. Vì vậy dòng một chiều qua mỗi điôt có giá trị biên độ bằng 1/2Id.  Dòng qua mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là tổng của dòng qua điôt và dòng cân bằng. I  Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp bằng: II d 0, 29 2 6 d  Dòng sơ cấp có dạng các xung chữ nhật đối xứng. 1Id 1 II1 0, 4 d kba6 k ba U d 1  Công suất tính toán máy biến áp: S1 3 U 1 I 1 3 kba 0,4 I d 1,03 P d 1,17 kba U d SS1 2 SUIIP2 6 2 2 6 0, 29d 1,49 d SP 1,26 1,17 ba2 d  Thông số của van: 1 IID d UU 6 6 ng ,max 2 10/02/2011 56 28
05/03/2011 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng 2.7.2 Sơ đồ dùng thyristor  Trên đồ thị thể hiện dạng điện áp, dòng điện trong sơ đồ với góc điều khiển =60. 1 60 60 ua u c '  Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng hai sơ 2 đồ tia ba pha sẽ làm việc song song, độc lập với nhau. Theo mạch điện tương đương suy ra các biểu thức tính giá trị tức thời ud, uL,cb=uPQ : u u u d1 d 2 , d 2 uL, cb u d 1 u d 2 .  Khi góc điều khiển tăng lên, biên độ điện áp cân bằng tăng lên theo, đạt giá trị lớn nhất m bằng biên độ điện áp U 2 khi 90 .  Cần lưu ý đảm bảo công suất của cuộn kháng cân bằng phù hợp với dải điều chỉnh. 10/02/2011 57 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Các sơ đồ hình tia cho lợi thế về dòng điện.  Dòng chỉ chạy qua một van nên tổn thất trên van nhỏ.  Phù hợp với các yêu cầu điện áp chỉnh lưu thấp, dòng chỉnh lưu lớn.  Các sơ đồ cầu cho lợi thế về điện áp.  Với cùng điện áp chỉnh lưu yêu cầu điện áp trên van chỉ bằng một nửa so với sơ đồ hình tia.  Tổn thất trên van lớn vì dòng phải chạy qua hai van một lúc.  Phù hợp với tải yêu cầu điện áp cao, dòng tương đối nhỏ.  Các sơ đồ 3 pha cho công suất lớn.  Các sơ đồ một pha chỉ phù hợp với công suất dưới 5 kW. 10/02/2011 58 29
05/03/2011 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Đọc kỹ lại tài liệu bài giảng Điện tử công suất.  Làm các bài tập phần chỉnh lưu! 10/02/2011 59 30
06/04/2011 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 • Vấn đề chuyển mạch trong các sơ đồ chỉnh lưu • Chế độ nghịch lưu phụ thuộc và bộ biến đổi phụ thuộc nói chung • Bộ biến đổi có đảo chiều 10/02/2011 2 1
06/04/2011 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu  Chuyển mạch: một van khóa lại, một van mở ra. Dòng tải chuyển từ một van này sang một van khác.  Chuyển mạch tức thời: thời gian chuyển mạch bằng 0.  Chuyển mạch thực tế: do có điện cảm nối tiếp trong mạch van, dòng không thể thay đổi đột biến. Chuyển mạch diễn ra trong một khoảng thời gian, gọi là thời gian chuyển mạch. Góc pha tương ứng gọi là góc chuyển mạch .  Điện cảm trong mạch van: có thể là bất cứ thành phần điện cảm nào, do dây nối, do điện cảm tản MBA. 10/02/2011 3 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu  Điện cảm trong mạch van: có thể là bất cứ thành phần điện cảm nào, do dây nối, do điện cảm tản MBA. 0 a1 a2 Lµ Mạch điện tương đương MBA và mạch điện Sơ đồ mạch từ MBA thay thế đơn giản hóa 10/02/2011 4 2
06/04/2011 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Giả thiết:  Trong giai đoạn chuyển mạch dòng tải không kịp thay đổi Id=const.  Van bán dẫn là lý tưởng  Trong giai đoạn chuyển mạch: iV1 I d i a;. i V 2 i a  Kết thúc chuyển mạch: iV1 0; i V 2 I d . Mạch điện tương đương để xét chuyển mạch trong sơ đồ tia  Phương trình mạch vòng chuyển mạch: một pha. di m 2Xa 2 u X  L;   t ; u U sin  a d 2 a a 2 2 m U2  Nghiệm p/t: ia cos - cos  X a 10/02/2011 5 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Tại   chuyển mạch kết thúc, i =I , m a d U 2 U Id cos - cos +  X a  Trong khoảng  hai van cùng dẫn.  Điện áp tải bị mất đi phần 1  U m U Um sin d  2 cos - cos +   2  Sụt áp trong quá trình chuyển mạch: 2U 2 IIXd d a U 2U 2  Đặc tính ngoài của chỉnh lưu Ud (Id): UUUd d 0 cos  XIa d U d 0 cos . Đồ thị dạng dòng điện, điện áp khi xảy ra chuyển mạch. 10/02/2011 6 3
06/04/2011 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Đặc tính ngoài của chỉnh lưu Ud (Id): UUUd d 0 cos  XI Sụt áp do chuyển mạch U cos a d . d 0 U d X a U d 0 cos U 0 30 U d 0 cos 60 Đặc tính ngoài của chỉnh lưu (a) Đồ thị; (b) Mạch điện tương đương 10/02/2011 7 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.3 Chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha  Phương trình mạch vòng chuyển  Mạch điện tương đương mạch, lưu ý mạch vòng chuyển mạch xảy dưới tác dụng của điện áp dây: di 2Xa u ad ba  Phương trình xác định góc chuyển mạch: m U2,l ia cos cos  2X a m U 2,l Id cos cos  2X a  Phương trình đặc tính ngoài: 3XI U a d  2 3XI UUUU cos cos a d d d0  d 0 2 10/02/2011 8 4
06/04/2011 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.3 Chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha 45 U  Khi chuyển mạch do hai van V1,  V2 cùng dẫn, thế của điểm catot chung sẽ là:  ud= (ua+ub)/2 .  Thế trên van sẽ là: u u u u u u u u c b ac ab V1 a d a 2 2 10/02/2011 9 U 3.1.4 Chuyển mạch trong  sơ đồ cầu ba pha  Trong trường hợp đơn giản, không khác gì chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha.  Chuyển mạch diễn ra giữa hai nhóm van: catot chung và anot chung.  Sụt áp do chuyển mạch sẽ lớn gấp đôi so với sơ đồ tia ba pha. 3XI U a d   Phương trình xác định góc chuyển mạch và phương trình đặc tính ngoài: m U 2,l Id cos cos  2X a 3XI UUUU cos cos a d d d0  d 0 10/02/2011 10 5
06/04/2011 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 Các điều kiện để thực hiện NLPT  NLPT: Chế độ làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, trong đó năng lượng phía một chiều được đưa trả về phía xoay chiều.  Năng lượng đưa về: có thể để giải tỏa năng lượng dư thừa, nếu không sẽ phải giải tỏa dưới dạng nhiệt, gây tổn thất lãng phí. Trong một số trường hợp không thể giải tỏa kịp, gây nên chậm quá trình. Ví dụ hãm tái sinh trong các hệ truyền động.  Phía lưới:  Không thực sự là “phụ tải”. Năng lượng sẽ được các phụ tải khác tiêu thụ.  Lưới coi là kho năng lượng “vô cùng lớn”, nên có thể tiếp nhận “bao nhiêu cũng được”, miễn là đảm bảo các điều kiện an toàn về điện áp, dòng điện.  Năng lượng đưa về thực sự là công suất tác dụng (kW). 10/02/2011 11 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 Các điều kiện để thực hiện NLPT  Các điều kiện để thực hiện chế độ NLPT:  1. Phía DC phải có nguồn s.đ.đ Ed, có chiều tăng cường dòng Id. Dòng Id đi vào ở cực - và đi ra ở cực + của Ed. Như vậy Ed làm việc ở chế độ máy phát.  2. Góc điều khiển > 90. Đây là điều kiện để Ud = min = ωtr, tr là thời thời gian phục hồi tính chất khóa của van. Đây là điều kiện để đảm bảo an toàn, không bị sự cố lật nghịch lưu. 10/02/2011 12 6
06/04/2011 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha. Phương trình đặc tính vào của  Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện, điện NLPT: áp NLPT tia một pha. UUUd d 0 cos  U UUd 0 cos   XI U cos a d . d 0 Dòng chỉnh lưu trung bình xác định bằng UE I d d d R X a / Phương trình xác định góc chuyển mạch : U d 0 cos m U 2 Id cos -cos  X a Công suất đưa trả về lưới: Góc khóa P Ud I d kW của van 10/02/2011 13 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha.  Đặc tính tổng quát của sơ đồ  Đặc tính tới hạn của NLPT. chỉnh lưu: kết hợp đặc tính  Với mỗi góc điều khiển : XI ra của chỉnh lưu với đặc tính cos +cos  a d, th vào của nghịch lưu ta có đặc th U m 2 XI tính tổng quát U (I ). UU cos a d, th d d d , th d 0  Góc điều khiển max:  Nhân hai vế ph/tr dòng điện với   Ud0 vào hai vế pt/tr thứ nhất, trừ đi  Do đó cos  cos  ph/tr thứ hai ta được phương trình đặc tính tới hạn: XIa d cos +cos  m U 2 XI  Điều kiện dàng buộc UU cos a d, th max d , th d 0  th t r cos  cos  th XIXIa d a d cos +cos  cos +cos th m cos +cos  th cos m cos  th . UU2 2 10/02/2011 14 7
06/04/2011 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha.  Đặc tính tổng quát của sơ đồ chỉnh lưu. U d U cos d 0 0 U Chỉnh lưu 30 60 15 Nghịch lưu 90 U d , th XI 120 UU cos a d, th d , th d 0 th 15 U d  10/02/2011 15 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.2 NLPT trong sơ đồ cầu một pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Các biểu thức tính toán: 2IX  Sụt áp do chuyển mạch: U d a  UE  Dòng một chiều trung bình: I d d d R U m  2 Phương trình xác định góc chuyển mạch: Id cos -cos  X a 2XIXIa d 2 a d  Đặc tính tổng quát: UUUd d0cos d 0 cos 10/02/2011 16 8
06/04/2011 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.3 NLPT trong sơ đồ tia ba pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Các biểu thức tính toán: 3XI  Sụt áp do chuyển mạch: U a d  2 UE  Dòng một chiều trung bình: I d d d R  Phương trình xác định góc chuyển mạch: m U 2,l Id cos cos  2X a 3XI  Đặc tính tổng quát: UUUU cos cos a d d d0  d 0 2 10/02/2011 17 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.4 NLPT trong sơ đồ cầu ba pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Xét một chế độ của chỉnh lưu cầu (các chế độ khác tham khảo TL). Rất quan trọng vì chỉnh lưu cầu được sử dụng nhiều.  Các biểu thức tính toán: 3XI  a d Sụt áp do chuyển mạch: U UEd d  Dòng một chiều trung bình: Id R  Phương trình xác định góc chuyển mạch: m U 2,l Id cos cos  2X a 3XI  Đặc tính tổng quát: UUUU cos cos a d d d0  d 0 10/02/2011 18 9
06/04/2011 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.4 NLPT trong sơ đồ cầu ba pha. U  Đặc tính tổng quát của chỉnh d 1 lưu cầu ba pha trên hệ đơn vị 3 0 2 3 15 tương đối.  60 4 30  Thể hiện ba chế độ: 1 2  1. Đặc tính là các đoạn 60 thẳng: bình thường có hai van dẫn, khi chuyển mạch Id 0 3 1 3 1 có ba van dẫn. 2 90 4 2  2. Đoạn đặc tính elip, lúc nào cũng có ba van dẫn, 1 =60. 2 120  3. Chế độ có thể có 4 van 3 th 15 dẫn (không thể hiện trên đồ 2 thị). U d 10/02/2011 19 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều  Nhu cầu đảo chiều dòng điện:  Trong hệ truyền động một chiều, khi cần đảo chiều quay hoặc khi giảm tốc độ hoặc khi dừng cần hãm tái sinh.  Trong một số công nghệ, như mạ đảo dòng hoặc khi cần đảo chiều dòng điện nhanh.  Đảo chiều bằng thiết bị có tiếp điểm không thể thực hiện được khi cần đảo chiều nhiều lần.  Dòng chỉnh lưu chỉ có một chiều cố định (đi ra ở nhóm van catot chung, đi vào ở nhóm anot chung). Vì vậy muốn đảo chiều điện phải có hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau. 10/02/2011 20 10
06/04/2011 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.1 BBĐ có đảo chiều, điều khiển chung  Hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau:  Giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình phải bằng nhau UUUUd 1 docos 1 d 2 do cos 2  Chỉ có thể có được nếu: 1 2 ; 2 1 . Trường hợp đầu bị loại trừ vì hai chỉnh lưu ngược nhau. Trường hợp thứ hai nghĩa là nếu chỉnh lưu 1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì chỉnh lưu 2 phải ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. u u  Giá trị trung bình bằng nhau nhưng giá trị tức thời khác nhau, d 1 d 2 sinh ra dòng cân bằng phải được hạn chế nhờ cuộn kháng cân bằng, như ở sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng.  Ưu điểm: đảo chiều nhanh.  Nhược điểm: cuộn kháng cân bằng làm tăng kích thước của BBĐ, tăng tổn hao công suất trên cuộn kháng, cũng làm giảm đặc tính động vì có cuộn cảm. 10/02/2011 21 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.1 BBĐ có đảo chiều, điều khiển chung  Hai loại sơ đồ BBĐ có đảo chiều, gồm hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau.  (a) Điều khiển chung; (b) Điều khiển riêng. 10/02/2011 22 11
06/04/2011 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.2 BBĐ có đảo chiều, điều khiển riêng  BBĐ có đảo chiều điều khiển riêng:  Khắc phục nhược điểm của điều khiển chung, không dùng cuộn kháng cân bằng. Kích thước gọn nhẹ, giảm tổn hao.  Mỗi thời điểm chỉ có một BBĐ làm việc.  Điều khiển phức tạp: cần có bộ logic đảo chiều.  Bộ logic đảo chiều:  Bộ cảm biến đo dòng điện và xác định dòng về không (zero detector). Bộ phận phát hiện dòng về không luôn theo dõi dòng điện Id và cho ra tín hiệu lôgic dòng khác không hay bằng không, hoặc cho tín hiệu về chiều dòng điện, Id>0 và Id<0.  Bộ phận nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều. Thông thường tín hiệu yêu cầu đảo chiều đến từ sự thay đổi dấu của lượng đặt, ví dụ (+) ứng với chiều thuận, (-) ứng với chiều nghịch.  Bộ phận tạo trễ. Thời gian trễ thường có thể điều chỉnh được trong khoảng vài chục ms . 10/02/2011 23 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.2 BBĐ có đảo chiều, điều khiển riêng  Bộ logic đảo chiều: Bộ tạo thời gian trế an toàn Theo dõi dòng Id Tín hiệu khóa hoặc cho phép xung điều khiển đến các Nhận biết tín hiệu thyristor của CL1 và CL2 yêu cầu đảo chiều Ngoài ra thông thường có mạch vòng dòng điện, bộ điều chỉnh dòng điện phải thay đổi góc điều khiển để đảm bảo các chế độ phù hợp. Ví dụ như phải hạn chế dòng điện lúc đảo chiều hoặc thực hiện chế độ NLPT để hãm tái sinh 10/02/2011 24 12
06/04/2011 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều Mô phỏng BBĐ có đảo chiều  Nghiên cứu BBĐ có đảo chiều qua mô hình mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK,  SimPowerSystems: Demos  Electric Drive models: DC-4_example.mdl  With circulating current: Mô hình điều khiển chung.  Without circulating current: Mô hình điều khiển riêng, lưu ý thiết kế bộ logic đảo chiều (Drive controller).  Chạy thử mô hình:  Xem xét cấu trúc mạch lực, hệ thống điều khiển.  Thay đổi giá trị đặt mô men hoặc tốc độ với sự thay đổi lớn để có thể thấy rõ hiệu ứng đảo chiều qua dòng điện, góc điều khiển. Nhận xét kết quả mô phỏng! 10/02/2011 25 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Các sơ đồ hình tia cho lợi thế về dòng điện.  Dòng chỉ chạy qua một van nên tổn thất trên van nhỏ.  Phù hợp với các yêu cầu điện áp chỉnh lưu thấp, dòng chỉnh lưu lớn.  Các sơ đồ cầu cho lợi thế về điện áp.  Với cùng điện áp chỉnh lưu yêu cầu điện áp trên van chỉ bằng một nửa so với sơ đồ hình tia.  Tổn thất trên van lớn vì dòng phải chạy qua hai van một lúc.  Phù hợp với tải yêu cầu điện áp cao, dòng tương đối nhỏ.  Các sơ đồ 3 pha cho công suất lớn.  Các sơ đồ một pha chỉ phù hợp với công suất dưới 5 kW. 10/02/2011 26 13
06/04/2011 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Đọc kỹ lại tài liệu bài giảng Điện tử công suất.  Làm các bài tập phần chỉnh lưu! 10/02/2011 27 14
06/04/2011 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 2/18/2011 1 4.1 Các bộ điều áp xoay chiều • Các bộ điều áp xoay chiều cơ bản • Công tắc tơ điện tử và khởi động mềm 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Băm xung áp một chiều 4.2.2 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 2/18/2011 2 1
06/04/2011 Bản chất là các BBĐ phụ thuộc, giống như các bộ chỉnh lưu, điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi góc điều khiển . Có những ứng dụng rất quan trọng. Cần phải nắm được phạm vi và lĩnh vực ứng dụng của những BBĐ này cũng như phương pháp điều khiển chúng. 10/02/2011 3 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều  Các bộ XAAC  Điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều, tần số sóng hài cơ bản không đổi, bằng tần số của điện áp lưới.  Dùng tiristo song song ngược, triăc, thay đổi điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới theo góc mở .  Ưu điểm: rất đơn giản và tin cậy.  Ứng dụng:  1. Cho tải thuần trở, như trong các lò điện trở. Khi đó dạng điện áp xấu không ảnh hưởng đến tải.  2. Các bộ khởi động mềm (Soft Starter) cho ĐC KĐB.  3. Điều chỉnh phía sơ cấp MBA trong các chỉnh lưu.  4. Các cuộn cảm điều chỉnh được TCR.  5. Được dùng như các công-tắc-tơ điện tử, không tiếp điểm. 2/18/2011 4 2
06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.1 Các sơ đồ van  (a) Cặp thyristor song song ngược.  (b) Cầu điôt.  (c) Triac. 2/18/2011 5 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  1. Tải thuần trở  Điện áp trên tải phụ thuộc góc điều khiển .  Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, theo hình (a): 12 1 2 sin 2 U Um sin d  U 1 cos 2  d  U o 1 1 1 2 2  2   Đồ thị dạng dòng điện, điện áp trong XAAC. (a) Tải thuần trở; (b) Tải trở cảm. 2/18/2011 6 3
06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  2. Tải trở cảm  Khi một tirsto nào đó thông, tải RL được nối vào nguồn xoay chiều. di Ri X U m sin L d 1 2 2 X L  Nghiệm của phương trình: ZRX L ; Q ; arctgQ R  U m i 1 sin  e Q sin Z  Phương trình xác định góc dẫn của van;  sin  e Q sin 0 2/18/2011 7 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  3. Tải thuần cảm  Có ứng dụng cực kỳ quan trọng trong các cuộn kháng điều khiển được (Thyristor Controlled Reactor – TCR). TCR được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị bù trong hệ thống truyền tải điện cao thế như SVC, TCSC. 2/18/2011 8 4
06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  Biên độ của dòng qua  Dạng dòng qua cuộn cảm cuộn cảm: phụ thuộc góc . V 2 1 I ( ) (1 sin 2 ) L L  Điện dẫn thay thế tương đương: 1 2 1 B ( ) (1 sin 2 ) L L  Theo điện dẫn tương đương có thể xây dựng hệ thống điều khiển SVC. 2/18/2011 9 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Sơ đồ van 2/18/2011 10 5
06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải  Ví dụ phân tích dạng điện thuần trở: áp trên tải trở với góc  Góc điều khiển tính các =30 điểm điện áp nguồn qua không.  Xác định các khoảng van dẫn:  Nếu có 3 van dẫn điện áp trên tải bằng điện áp pha.  Nếu chỉ có hai van dẫn điện áp trên tải bằng một nửa điện áp dây.  Tính giá trị hiệu dụng theo từng khoảng van dẫn. 2/18/2011 11 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải  Dạng dòng, áp thuần trở.  Ví dụ phân tích dạng điện áp trên tải trở với góc =90.  Lưu ý góc và các khoảng dẫn của van như sau: 0 60  Có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn. 60 90  Chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn. 90 150  Có 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả. 2/18/2011 12 6
06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải trở  Vấn đề điều khiển các cảm. BBĐ xung áp xoay chiều:  Một nhiệm vụ khó khăn  Hệ thống điều khiển phát vì khoảng dẫn của van xung được xây dựng phụ thuộc vào tính chất giống như đối với các sơ của tải và vào góc điều đồ chỉnh lưu tương ứng, khiển . một pha, ba pha.  Các phương pháp giải  Phải có hệ thống phát tích chỉ đúng được cho xung tạo nên góc thay một tham số của tải. đổi, đồng bộ với điện áp  Có thể dùng mô phỏng để xoay chiều. nghiên cứu sơ đồ.  XAAC và chỉnh lưu gọi chung là các BBĐ phụ thuộc. 2/18/2011 13 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.4 Công tắc xoay chiều 1 pha 2/18/2011 14 7
06/04/2011 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.4 Công tắc xoay chiều 1 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời điểm điện áp lưới qua zero 2/18/2011 15 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.5 Công tắc xoay chiều 3 pha 2/18/2011 16 8
06/04/2011 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.5 Công tắc xoay chiều 3 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha 2/18/2011 17 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.6 Khởi động mềm  Khởi động mềm dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha để khởi động các động cơ không đồng bộ 3 pha.  Các động cơ công suất lớn, khi khởi động trực tiếp (nối thẳng vào nguồn điện lưới) dòng khởi động rất lớn, gấp 7- 9 lần dòng định mức, gây ra sụt điện áp lưới, giảm tuổi thọ động cơ.  Để giảm dòng khởi động dưới 2 – 3 lần dòng định mức lúc khởi động, giảm điện áp ban đầu đặt lên động cơ, sau đó tăng dần điện áp đến khi bằng điện áp lưới.  Bộ khởi động mềm thích hợp với các động cơ làm việc với tải máy bơm và quạt gió. 2/18/2011 18 9
06/04/2011 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung  Hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc giống nhau. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển các BBĐ phụ thuộc Xây dựng khâu điện áp tựa răng cưa đồng  bộ với điện áp lưới 2 10/02/2011 19 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung  Có thể xây dựng từ các mạch chức năng.  Ví dụ hệ thống điều khiển phát xung cho chỉnh lưu cầu ba pha. 10/02/2011 20 10
06/04/2011 4.1 Các bộ biến đổi xung  áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển  phát xung Đồ thị dạng xung của sơ đồ điều khiển  A. Điện áp từ biến áp đồng pha. B. Xung vuông sau khâu so sánh. C. Xung đồng bộ sau khâu vi phân.  D. Xung đồng bộ điều khiển mạch tạo răng cưa 180.  E. Răng cưa. 180 360  F. Điện áp sau khâu so sánh. G. Dạng xung sau bộ chia xung.  H. Xác định độ rộng xung điều khiển. Q  I. Xác định độ rộng xung điều khiển.  J. UGK,V1, UGK,V2 Dạng xung điều khiển sau bộ tạo xung chùm, đưa đến cực  điều khiển thyristor.   10/02/2011 21 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung Sơ đồ mạch điều khiển cặp van song song ngược dùng TCA785. IC chuyên dụng giúp giảm đến mức tối thiểu các linh kiện phải mắc thêm vào. 10/02/2011 22 11
06/04/2011 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều V khiển phát xung 0 SYNC V10 Đồ thị dạng xung của V11 TCA785. 0 0V Các mạch tạo răng cưa tích hợp bên trong IC. Sườn và V15 Q2 độ dốc của răng cưa xác định V Q1 bằng giá trị tụ đua vào ở 14 chân số 10. V15 Q2 (nếu chân 12 nối xuống GND Tín hiệu điều khiển đưa vào V14 Q1 (nếu chân 12 ở chân 11. nối xuống GND Tín hiệu ra điều khiển V2 Q1 Nếu chân 12 thyristor ở chân V14, V15. nối xuống GND V4 Q2 (Nếu chân 12 nối xuống GND ) V3 V7 0 180 10/02/2011 23 Cần hiểu được tầm quan trọng của các BBĐ xung áp một chiều. Nắm rõ các phạm vi ứng dụng của các loại BBD. Đặc điểm quan trọng nhất của các BBĐ xung áp là làm việc với tần số cao. Thiết kế các BBĐ DC-DC 10/02/2011 24 12
06/04/2011 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung  Các bộ biến đổi xung áp một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng vì phạm vi ứng dụng ngày càng to lớn.  Nếu điện áp xoay chiều có thể dùng MBA để biến đổi điện áp thì điện áp một chiều bắt buộc phải dùng BBĐ xung áp.  Các BBĐ xung áp dần loại trừ các loại biến áp tần số thấp trong các bộ nguồn, dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn.  Hai loại bộ biến đổi xung áp một chiều:  1. Các bộ băm xung áp (Chopper).  2. Các bộ biến đổi nguồn DC-DC. 10/02/2011 25 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung  Ưu điểm cơ bản:  1. Sử dụng các phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt là MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz. Trong tương lai đến 1Mhz.  2. Nhờ tần số đóng cắt cao giảm được độ đập mạch của dòng điện, điện áp một chiều, tiến tới lý tưởng.  3. Kích thước các phần tử phản kháng như điện cảm, tụ điện giảm đáng kể, giảm kích thước BBĐ nói chung đến mức rất nhỏ.  4. Không dùng biến áp nguồn tần số thấp nữa. Giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép.  Nhược điểm: Phát sinh nhiều vấn đề cần nghiên cứu!!! 10/02/2011 26 13
06/04/2011 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Phần tử cơ bản là khoá điện  Sơ đồ bộ băm xung áp. tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), được mắc nối tiếp giữa tải và nguồn.  Điôt D0 có vai trò quan trọng trong sự hoạt động của sơ đồ, gọi là điôt không. Điôt này sẽ dẫn dòng tải khi  Từ 0 đến t : V thông, nối tải V khoá. x vào nguồn, Ut = E;  Từ t đến T: V khoá lại, tải di x  Khi V thông: iR L E bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải dt có tính cảm, dòng tải phải di tiếp tục duy trì qua điôt D0,  Khi V khóa: iR L 0 dt Ut = 0. 10/02/2011 27 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Ứng dụng:  Sơ đồ bộ băm xung áp.  1. Điều khiển dòng điện một chiều, những chỗ nào trước đây dùng thyristor thì nay có thể dùng băm xung. Ví dụ các bộ điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ, cho máy điện một chiều.  2. Đặc biệt thích hợp cho  Từ 0 đến tx: V thông, nối tải điều khiển các máy điện vào nguồn, Ut = E; một chiều công suất nhỏ.  Từ tx đến T: V khoá lại, tải  Chính vì vậy ta xét hai loại bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải tải: có tính cảm, dòng tải phải  1. Trở cảm (cuộn cảm). tiếp tục duy trì qua điôt D0, U = 0.  2. Tải có s.p.đ.đ (máy điện). t 10/02/2011 28 14
06/04/2011 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải trở cảm  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp.  1. Chế độ dòng liên tục: T tx t x t t t QQ x E E e 1QQ E 1 e iVD TT e;. i e RRR 1 eQQ 1 e T tx t Q x E e 1 Q I T e 1 I R 1 e Q  2. Chế độ dòng gián đoạn: t t t t EE x x i 1 eQQQ ; i 1 e e . VD RR (a) Liên tục; (b) Gián đoạn. 10/02/2011 29 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải có sức phản điện động:  Sơ đồ bộ băm xung khi tải có  Khi V thông: s.p.đ.đ. di iR L E E dt d  Khi V không thông: di iR L E dt d 1. Chế độ dòng liên tục: T tx  Độ đập mạch dòng tải không t Q E Ed E e 1 Q phụ thuộc vào Ed: iV T e ; RR T tx Q t 1 e Q x E e 1 Q tx I T e 1 t t Q x R Q E E1 e Q 1 e iD T e . ER d 1 e Q 10/02/2011 30 15
06/04/2011 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải có sức phản điện động:  3. Chế độ tới hạn: Dòng sẽ 2. Chế độ dòng gián đoạn: gián đoạn với mọi tx nhỏ hơn t hoặc bằng tx,th. EE d Q iV 1 e ; T R E E e Q 1 t t t d x x EEEEd d QQ i e e . tx, th Q ln D E RRR (a) Dòng liên tục. (b) Dòng gián I đoạn. 10/02/2011 31 Cần hiểu được ở mức độ cơ bản vai trò của các BBĐ nguồn DC- DC. Phân biệt được chế độ làm việc với các bộ băm xung. Nắm được các sơ đồ DC-DC cơ bản. Thiết kế các BBĐ DC-DC 10/02/2011 32 16
06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung  Dựa trên nguyên lý băm xung áp.  Đầu ra phải có tụ đủ lớn để san bằng điện áp trên tải.  Nếu bộ băm xung áp dùng để điều chỉnh dòng điện một chiều ra tải (nguồn dòng) thì bộ biến đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp ra tải (nguồn áp).  Có thể coi trong một khoảng thời gian đủ nhỏ, vài chu kỳ cắt mẫu, điện áp ra là không đổi.  Giả thiết này cho phép đơn giản hóa tối đa quá trình phân tích các sơ đồ DC-DC.  Các sơ đồ thực tế còn nhiều vấn đề cần xem xét. 10/02/2011 33 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.1 BBD DC-DC nối tiếp (Buck Converter)  BBĐ giảm áp:  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp.(a) di Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dạng dòng  Khi V mở: LEUL dt t điện, điện áp.  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LUL dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. EU 0 t t : i I t t x L min L U t t T:I i t t t x Lmax L x EU I III t t max min L x t UE x t T 10/02/2011 34 17
06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.2 BBD DC-DC song song (Boost Converter)  BBĐ tăng áp  Bộ biến đổi nguồn DC-DC song diL  Khi V mở: LE song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dt dạng dòng điện, điện áp.  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LEUL dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. E 0 t t : i I t x L min L EU t t T:I i t t t x Lmax L x E III t I max min L x T UEt T tx 10/02/2011 35 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.3 BBD DC-DC nối tiếp - song song  BBĐ tăng ,giảm áp (Buck-Boost  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp Converter). Cực tính điện áp đảo song song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ ngược lại. thị dạng dòng điện, điện áp. di  Khi V mở: LEL dt  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LUL dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. E 0 t t : i I t x L min L U t t T:I i t t t x Lmax L x E III t max min L x I tx UEt T tx 10/02/2011 36 18
06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio)  Thông thường ΔiL=(10 – 30)%IL. t  Nhiệm vụ thiết kế: D x T  Xác định các tham số của mạch, giá trị điện cảm L, tụ C.  Tần số làm việc f=1/T. Thông thường f cỡ vài chục đến vài trăm  Xác định dòng đỉnh (Ipeak) qua van, điôt. kHz. Thường chọn f cỡ 20kHz trở lên để tiếng ồn tai người không  Xác định dòng trung bình qua van và điôt để tính toán chế độ nhiệt. còn nghe thấy.  Tính toán hiệu suất của BBĐ.  Thiết kế theo các yêu cầu cho  Tính toán giá thành sản phẩm. trước:  Thiết kế các mạch vòng điều chỉnh  Điện áp đầu vào, đầu ra: U , U . in o dòng điện, điện áp.  Dòng đầu ra định mức: I . o  Mô hình hóa BBĐ.  Độ đập mạch điện áp đầu ra: Δu . o  Mô hình tín hiệu lớn. Thông thường Δuo =(0,1 – 1)%Uo.  Mô hình tín hiệu nhỏ.  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm.  Tổng hợp các mạch vòng. 10/02/2011 37 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Đồ thị để tính toán gần đúng độ t t đập mạch dòng điện và điện áp.  Hệ số điều chế: D x on ; Ts t on t off ton DT s; t off 1 D T s t  Điện áp đầu ra: U x U DU oT in in  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: t  i on U U LL in o DT U U s in o L  Độ đập mạch của điện áp trên tụ: với giả thiết điện áp trên tụ đập  Khi dòng iL>IL tụ được nạp. Khi mạch rất nhỏ có thể tính toán độ iL<IL tụ phóng điện ra tải. Dòng đập mạch. Dòng trung bình qua trung bình nạp cho tụ làm điện áp cuộn cảm chính là dòng tải IL=Io. tụ tăng lên Δuo trong thời gian ½(ton+toff) chính là 1/4ΔiL. 10/02/2011 38 19
06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Lựa chọn van bán dẫn, MOSFET  Độ đập mạch của điện áp trên tụ và điôt: được tính gần đúng bằng:  Chọn van theo dòng điện đỉnh qua 1 iL ton t off T s van Ipeak=IL+ΔiL/2 và dòng trung uo i L CC4 2 8 bình qua van.  Dòng trung bình qua MOSFET:  Thay ΔiL vào, ta có: 2  U o IV=IL*ton/Ts=DIL. Ts 1 DTs U in U o Uin  ID=IL*toff/Ts=(1-D)IL. iL LL  Các yếu tố thực tế phải xem xét: 2 2 TUs on  Tần số càng cao thì điện cảm và tụ uo 1 8LC Uin điện càng nhỏ.  Từ hai biểu thức trên đây chọn  Giá trị điện áp ra ảnh hưởng mạnh đến giá trị cuộn cảm và tụ. Uo trước độ đập mạch dòng ΔiL suy ra biểu thức tính cuộn cảm L và sau càng nhỏ so với Uin thì cuộn cảm đó là tụ C. và tụ càng phải lớn. 10/02/2011 39 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Tổn thất trên điện cảm gồm tổn  Các yếu tố thực tế phải xem xét: thất trên mạch từ, có thể lấy được từ nhà sản xuất, và tổn thất trên  Khi chọn tụ điện phải tính được điện trở dây cuốn, thường rất nhỏ. giá trị hiệu dụng dòng qua tụ, đó Do đó cũng cần tính toán dòng chính là thành phần đập mạch của hiệu dụng qua cuộn cảm. Đó là dòng qua cuộn cảm. Từ dòng hiệu dòng điện có dạng hình thang dụng sẽ tính được tổn thất trên vuông, tính toán không có gì khó. điện trở tác dụng nối tiếp với tụ (ESR – Efective Series Resistance). ESR cho bởi nhà sản xuất tụ điện.  Với dạng dòng hình tam giác qua tụ, trị hiệu dụng bằng: 2 iL/ 2 1 T s U o IC 1 3 2 3 LU in 10/02/2011 40 20
06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Đối với Boost converter và Buck-Boost converter phương pháp tính toán cũng tương tự, hoàn toàn có thể suy ra được. 10/02/2011 41 21
Ts. Tr ần Tr ọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010
Khái ni ệm v ề ngh ịch l ưu độ c l ập Các b ộ ngh ịch l ưu ngu ồn dòng, ngu ồn áp NL ĐL ngu ồn dòng NLNA m ột pha, ph ươ ng pháp điều ch ế PWM NLNA ba pha, PWM, SVM. 10/22/2010 2
Ch ươ ng 5 Ngh ịch l ưu độ c l ập V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.1 Ngh ịch l ưu độ c l ập là gì? V.1.2 Phân lo ại và ứng d ụng V.1.3 Khái ni ệm v ề ngu ồn áp, ngu ồn dòng V.2 Ngh ịch l ưu độ c l ập ngu ồn dòng song song V.2.1 Ngh ịch l ưu độ c l ập ngu ồn dòng song song m ột pha V.2.2 Ngh ịch l ưu độ c l ập ngu ồn dòng song song ba pha V.3 Ngh ịch l ưu độ c l ập ngu ồn áp V.3.1 Nh ững v ấn đề chính v ề ngh ịch l ưu ngu ồn áp V.3.2 VSI s ơ đồ m ột pha n ửa c ầu (Half Bridge) V.3.3 VSI s ơ đồ c ầu m ột pha (H Full Bridge) V.3.4 Ph ươ ng pháp điều ch ế độ r ộng xung (PWM) V.3.5 Điều ch ế PWM dùng điều khi ển s ố V.3.6 Nh ận xét chung v ề PWM. V.3.7 Tính toán s ơ đồ NLNA PWM. 10/22/2010 3
Ch ươ ng 5 Ngh ịch l ưu độ c l ập V.3.8 Mô hình mô ph ỏng NLNA PWM V.4 VSI ba pha V.4.1 VSI ba pha sáu xung V.4.2 VSI ba pha PWM V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không ZSS-PWM V.4.4 Các thông s ố c ơ b ản c ủa PWM V.5 Ph ươ ng pháp điều ch ế vector không gian SVM. V.5.1 Khái ni ệm v ề vector không gian V.5.2 C ơ b ản v ề SVM V.5.3 Ph ươ ng pháp điều ch ế v ới v ới t o = t 7 – SVPWM. V.5.4 Quá điều ch ế. V.5.5 Nh ận xét chung v ề SVM. 10/22/2010 4
V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.1 Ngh ịch l ưu độ c l ập là gì NL ĐL: b ộ bi ến đổ i DC/AC, t ần s ố và điện áp ra thay đổ i đượ c. Nghịch lưu, bộ biến đổi DC/AC 10/22/2010 5
V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.1 Ngh ịch l ưu độ c l ập là gì? Tại sao l ại c ần đế n BB Đ DC/AC? Ch ỉ có ngu ồn là DC: ví d ụ, khi ngu ồn duy nh ất ta có là t ừ acquy. Khi ph ụ t ải AC yêu c ầu ngu ồn c ấp có các thông s ố nh ư điện áp, t ần s ố thay đổ i trong d ải r ộng, khác xa các thông s ố c ủa ngu ồn điện áp l ướ i. Khi có yêu c ầu v ề điều ch ỉnh c ả t ần s ố l ẫn điện áp xoay chi ều, ví d ụ trong các h ệ truy ền độ ng độ ng c ơ không đồ ng b ộ ho ặc độ ng c ơ đồ ng b ộ. Khi trong các b ộ bi ến đổ i công su ất yêu c ầu có t ần s ố cao (T ần s ố cao s ẽ làm cho các ph ần t ử điện t ừ nh ư MBA, các ph ần t ử ph ản kháng nh ư t ụ điện, điện cảm có giá tr ị nh ỏ). Một s ố ngu ồn phát s ơ c ấp có đầ u ra là m ột chi ều hay đượ c chuy ển v ề d ạng m ột chi ều để tích tr ữ trong acquy: pin m ặt tr ời (Photocell), pin nhiên li ệu (Fuel cell), điện s ức gió (Wind Turbine Generator), Một s ố d ạng n ăng l ượ ng tích l ũy d ướ i d ạng acquy (Battery Energy Storage System – BESS). Đầ u cu ối c ủa h ệ th ống truy ền t ải điện m ột chi ều HVDC. 10/22/2010 6
V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.2 Phân lo ại và ứng d ụng Phân lo ại: Dựa theo đặ c tính c ủa ngu ồn m ột chi ều đầ u vào: Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng: Current Source Inverter – CSI, Ngh ịch l ưu ngu ồn áp: Voltage Source Inverter – VSI, Ngh ịch l ưu ngu ồn Z, ZSI, trung gian gi ữa CSI và VSI. Dựa theo các đặ c điểm c ủa ph ươ ng pháp điều ch ỉnh điện áp và t ần s ố đầ u ra, ph ổ bi ến là ngh ịch l ưu PWM. Dựa theo đặ c điểm c ủa m ạch t ải: m ột l ớp các ngh ịch l ưu làm vi ệc v ới t ải là mạch vòng c ộng h ưở ng LC, g ọi là ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng. Ứng d ụng: r ất r ộng rãi, Trong l ĩnh v ực truy ền độ ng xoay chi ều. Cùng v ới ch ỉnh l ưu t ạo nên các b ộ bi ến tần. Trong l ĩnh v ực xe ch ạy điện (Electric Vehicle – EV), hi ện nay đã phát tri ển thành m ột xu h ướ ng xe m ới cho t ươ ng lai g ần. Thâm nh ập vào h ệ th ống điều khi ển trong h ệ th ống điện (FACTS và D-FACTS). Các h ệ th ống c ấp ngu ồn AC-DC-AC-DC thay cho các h ệ AC-DC thông th ườ ng. 10/22/2010 7
V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.3 Khái ni ệm v ề ngu ồn áp, ngu ồn dòng Ngu ồn dòng Ngu ồn áp Ngu ồn điện có dòng điện ra không Ngu ồn điện có điện áp ra không đổ i, không ph ụ thu ộc vào t ải và đổ i, không ph ụ thu ộc vào t ải và tính ch ất c ủa t ải. tính ch ất c ủa t ải. Tạo ra b ằng m ắc n ối ti ếp ngu ồn Tạo ra b ằng m ắc song song đầ u ra DC v ới điện c ảm đủ l ớn, ngu ồn DC v ới t ụ điện đủ l ớn, Hoàn toàn có th ể ng ắn m ạch, Hoàn toàn có th ể h ở m ạch, không không đượ c h ở m ạch. đượ c ng ắn m ạch. Cách tạo ra nguồn dòng thực tế, dùng mạch vòng dòng điện. 10/22/2010 8
V.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.3 Khái ni ệm v ề ngu ồn áp, ngu ồn dòng Ph ối h ợp ngu ồn v ới t ải: ngu ồn áp, ngu ồn dòng. Không th ể n ối song song hai ngu ồn áp v ới nhau vì dòng san bằng điện áp s ẽ r ất l ớn. Không th ể n ối nói ti ếp hai ngu ồn dòng v ới nhau vì gây độ t bi ến dòng. Nguồn áp Khái ni ệm v ề ngu ồn áp, ngu ồn dòng c ũng áp d ụng cho t ải: Song song v ới t ụ - ngu ồn áp; Nối ti ếp v ới cu ộn c ảm – ngu ồn dòng. BB Đ là khâu không quán tính: Nếu đầ u vào là ngu ồn áp thì đầ u ra là ngu ồn dòng và ng ượ c l ại. Nguồn dòng 10/22/2010 9
V.2 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng V.2.1 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng song song một pha Sơ đồ dùng thyristor V1, , V4. Đồ th ị d ạng dòng điện, điện áp Ngu ồn đầ u vào có điện c ảm L giá tr ị l ớn, t ạo nên ngu ồn dòng. Tụ C song song v ới t ải, t ạo kh ả năng chuy ển m ạch. Dòng NL (V1, V2) và (V3, V4) m ở trong dạng xung mỗi n ửa chu k ỳ. chữ nhật Tụ chuyển mạch β β góc chuyển mạch, β=>ω tr, ( tr thời gian phục hồi) 10/22/2010 10
V.2 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng V.2.1 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng song song một pha Phân tích s ơ đồ b ằng ph ươ ng pháp Đồ th ị vector gần đúng sóng hài b ậc nh ất: Ch ỉ xét đế n thành ph ần sóng hài bậc nh ất c ủa dòng điện và điện áp. Có th ể bi ểu di ễn các đạ i l ượ ng β ϕt bằng bi ểu đồ vector. Điều ki ện để s ơ đồ ho ạt độ ng đượ c là dòng t ải ph ải mang tính dung, II−(I− I) U QQ − tg β =CL =C L C = CL vượ t tr ướ c điện áp. Góc v ượ t tr ướ c IR IU RC P t này chính là góc khóa c ủa van. QC= Q t + Ptg t β Công suất phản kháng trên tụ C phải đủ để bù hết công suất phản kháng của tải, dôi ra một phần để tạo góc vượt trước β (góc chuyển mạch) 10/22/2010 11
V.2 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng V.2.2 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng song song ba pha V.2.2 Ngh ịch l ưu ngu ồn dòng song NLND ba pha song m ột pha, có điôt cách ly. Điôt có tác d ụng cách ly m ạch chuy ển mạch kh ỏi m ạch t ải. Ph ươ ng án t ươ ng t ự c ũng có ở NL ba pha. θ 60 120 180 240 300 360 θ θ θ θ θ 10/22/2010 12
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.1 Nh ững v ấn đề chung v ề NLNA Nh ượ c điểm c ủa NLND: NLNA xây d ựng ch ủ y ếu trên Điện áp ra ph ụ thu ộc vào t ải, vì MOSFET và IGBT, m ạch l ực vậy r ất khó phù h ợp v ới các ph ụ đượ c ch ế t ạo chu ẩn, t ạo thành các tải thông th ườ ng. Thi ết b ị điện modul, d ễ s ử d ụng. th ườ ng đượ c s ản xu ất cho các c ấp điện áp tiêu chu ẩn nên không th ể ho ạt độ ng khi điện áp bi ến độ ng mạnh. NLND ch ỉ đượ c thi ết k ế cho m ột ph ụ t ải c ụ th ể, có th ể có công su ất lớn ho ặc r ất l ớn. NLNA có th ể đượ c ch ế t ạo dùng cho m ột l ớp r ộng rãi các ph ụ t ải. NLNA đả m b ảo điện áp ra có d ạng không đổ i, đáp ứng cho các ph ụ t ải sản xu ất hàng lo ạt. 10/22/2010 13
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.2 S ơ đồ NL n ửa c ầu (Half bridge) Van V1, V2 ON/OFF ng ượ c nhau, Sơ đồ D1, D2 điôt ng ượ c, d ẫn dòng t ự do về t ụ DC, Điện áp trên t ải: VOC = +/- VDC . Mô hình t ải L s, R s, E s (E s có th ể là DC hay AC) đạ i di ện cho nhi ều tr ườ ng h ợp: độ ng c ơ, ngu ồn dòng AC điều khi ển đượ c, ch ỉnh l ưu tích c ực. S. đ.đ E s th ể hi ện chính là Gi ới h ạn: V OC ch ỉ t ừ -VDC đế n ph ụ t ải, n ơi điện n ăng bi ến đổ i + V DC thành d ạng n ăng l ượ ng khác. dI o/dt <V DC /L s Có th ể điều khi ển dòng I o theo hình d ạng b ất k ỳ. Inverter bị bão hòa 10/22/2010 14
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp c ầu một pha (H Full Bridge) Đồ th ị d ạng dòng điện, điện áp. V1, V2, V3, V4 van đ/k hoàn toàn, nh ư BJT, MOSFET, IGBT. D1, , D4 các điôt ng ượ c. Tụ C đầ u vào có giá tr ị đủ l ớn. Điều khi ển: 0 ÷ T/2 m ở (V1, V2), T/2 ÷ T m ở (V3, V4). Điện áp trên t ải có d ạng +/-E. 10/22/2010 15
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp 1 pha V.3.4 Điều ch ế PWM Vấn đề đặ t ra đố i v ới NLNA: Đồ th ị d ạng dòng điện, điện áp. 1. Làm th ế nào để có th ể điều ch ỉnh đượ c điện áp c ũng nh ư t ần số c ủa điện áp ra? 2. D ạng điện áp ra d ạng xung ch ữ nh ật, n ếu phân tích ra chu ỗi Fourier ch ứa nhi ều thành ph ần sóng hài b ậc cao. 4E ∞ sin( 2k− 1 )ω t u( t ) = ∑ π k=1 2k − 1 Làm th ế nào để gi ảm đượ c sóng hài b ậc cao? Dùng m ạch l ọc. Tuy nhiên tác dụng c ủa l ọc ph ụ thu ộc t ải. 10/22/2010 16
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.4 Điều ch ế PWM cho NLNA Điều ch ế PWM: điều khi ển ở Sơ đồ mức th ấp nh ất. m c = PK c(t) dTrăngs c ư T a, s g ọi là sóng mang; cPK biên độ r ăng c ưa; m(t) tín hi ệu chu ẩn mong mu ốn, gọi là sóng điều ch ế; Ts chu k ỳ điều ch ế, còn g ọi là chu kỳ trích m ẫu. 10/22/2010 17
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.4 Điều ch ế PWM cho NLNA Trong m ỗi chu k ỳ đóng c ắt điện áp Đồ th ị đầ u ra có giá tr ị trung bình, g ọi là trung bình tr ượ t: 1 t+ T s vt() = ∫ vd()τ τ Ts t Giá tr ị trung bình c ủa điện áp đầ u ra ngh ịch l ưu PWM: 1   VOC ( t) = VTdtVTDC s( ) − DC s (1 − dt( ))  Ts =V2 d t − 1 DC ()() Trong m ỗi chu k ỳ T điện áp ra Từ s ơ đồ m ạch điện t ươ ng đươ ng s VOC sẽ ph ản ứng l ập t ức v ới tín có th ể th ấy quan h ệ hàm truy ền đạ t hi ệu mong mu ốn ngay trong chu gi ữa điện áp ra ngh ịch l ưu và dòng kỳ điều ch ế. đầ u ra là m ạch l ọc t ần th ấp b ậc nh ất. Nếu h ằng s ố th ời gian L s/R s >> T s dòng điện s ẽ u ốn theo d ạng c ủa tín hi ệu m(t). 10/22/2010 18
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.5 Điều ch ế PWM dùng điều khi ển s ố cho NLNA Bộ điều khi ển s ố PWM, th ườ ng có trong các vi điều khi ển hi ện đạ i: Đồ th ị d ạng sóng: 10/22/2010 19
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.5 Điều ch ế PWM dùng điều khi ển s ố cho NLNA Uniformly sampled with single update mode (Khác analog naturally sampled PWM). Ch ế độ trích m ẫu đề u (Khác v ới trích m ẫu t ức th ời). 1. Trailing edge modulation, (Hình b). B ộ điều ch ế s ườ n sau. 2. Leading edge modulation, (Hình c). B ộ điều ch ế s ườ n tr ướ c 3. Triangular carrier modulation, (Hình d). B ộ điều ch ế sóng mang đố i x ứng. Tín hiệu điều khiển update ở đầu mỗi chu kỳ điều chế 10/22/2010 20
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.5 Điều ch ế PWM dùng điều khi ển s ố cho NLNA Uniformly double update. Trích m ẫu hai l ần, nguyên lý th ực hi ện: Tín hiệu điều khiển update ở đầu và Mô hình: giữa mỗi chu kỳ điều chế 10/22/2010 21
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.6 Các ch ỉ s ố đánh giá PWM Các ch ỉ s ố đánh giá hi ệu n ăng c ủa PWM 1. H ệ s ố điều ch ế, t ỷ s ố gi ữa biên độ sóng điều ch ế m(t) so v ới biên độ sóng U răng c ưa: µ=rm ; 0 ≤ µ ≤ 1 U 2 cm ∑ Uk U2− U 2 THD =k=2,3, = o 1 2. H ệ s ố méo t ổng: 2 U1 U 1 THD chính là t ỷ s ố gi ữa t ổng giá tr ị hi ệu d ụng c ủa các thành ph ần sóng hài b ậc cao so v ới giá tr ị hi ệu d ụng c ủa sóng c ơ b ản ra mong mu ốn. 3. H ệ s ố t ần s ố: kf = f s/f 1 , t ỷ s ố gi ữa t ần s ố c ủa sóng mang so v ới t ần s ố sóng ra mong mu ốn. Thông th ườ ng để có h ệ s ố méo t ổng THD trong ph ạm vi cho phép c ần có kf ≥ 20. V ới công su ất l ớn fs cỡ 2 – 4 kHz, trong khi đó ở d ải công su ất nh ỏ h ơn th ườ ng ph ải ch ọn fs từ 10 - 20 kHz. Điều này c ũng là vì để đả m b ảo độ đậ p m ạch dòng ra trong ph ạm vi cho phép thì với dòng càng nh ỏ điện c ảm Ls càng ph ải l ớn. Tuy nhiên n ếu Ls lớn thì s ụt áp ở tần s ố c ơ b ản c ũng l ớn. Để th ỏa hi ệp, do đó ph ải ch ọn fs lớn. 10/22/2010 22
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM Vi ệc tính toán th ườ ng d ựa trên các s ố li ệu ban đầ u: Giá tr ị điện áp hình sin ra mong mu ốn Uo (V) và t ần s ố sóng c ơ b ản f1 (Hz). Công su ất ho ặc dòng đầ u ra mong mu ốn Po (W), I o (A), h ệ s ố công su ất c ủa t ải cos ϕ. Thông th ườ ng h ệ s ố công su ất c ỡ 0,8. Ví d ụ tính toán: Uom ==220 2 311( V ); f1 = 50 Hz ; Po = 1 kW ;cosϕ = 0,8 Các b ướ c và các thông s ố c ần tính toán: 1. Điện áp m ột chi ều yêu c ầu: U DC (V). Với PWM trong d ải làm vi ệc tuy ến tính, µ ≤ 1, giá tr ị biên độ điện áp đầ u ra có th ể đạ t l ớn nh ất là U DC , khi t ần s ố đóng c ắt f s coi là vô cùng l ớn. Để d ự phòng điện áp m ột chi ều thay đổ i trong ph ạm vi +/-10% c ần ch ọn µmax = 0,9. Vậy: U DC = U om /0,9 = 311/0,9 = 346 V. Trong m ạch th ườ ng có m ạch l ọc LC để t ạo điện áp ra hình sin. D ự phòng s ụt áp trên cu ộn c ảm l ọc L s cỡ 10% điện áp ra nên ph ải ch ọn U DC = 1,1.346 = 380 V. 10/22/2010 23
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM 2. Tính toán biên d ộ dòng đầ u ra yêu c ầu: Iom (A). Công su ất toàn ph ần c ủa t ải So = P o/ cos ϕ = 1000/0,8 = 1250 (VA); Dòng t ải yêu c ầu: Io = S o/U o = 1250/220 = 5,68 (A). Biên độ c ủa dòng t ải Iom = I o.sqrt(2) = 5,68*1,4142 = 8 (A). 3. Ch ọn t ần s ố đóng c ắt: fs (Hz), -4 Với công su ất nh ỏ ch ọn t ần s ố đóng c ắt fs = 20 kHz, Ts = 0,5.10 (s). 4. Tính toán dòng trung bình qua van và điôt: IV, I D (A) 1π 1+ cos ϕ Dòng trung bình qua van: IIV=∫ om sin ()θ − ϕ d θ = I om 2πϕ 2 π IV = 2,29 A. 1ϕ 1− cos ϕ Dòng trung bình qua điôt: IID=∫ om sin ()θ − ϕ d θ = I om 2π0 2 π ID = 0,26 A. 5. Xác đị nh dòng đỉ nh l ớn nh ất qua van và điôt. 10/22/2010 24
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM 5. Xác đị nh dòng đỉ nh l ớn nh ất qua van và điôt. Dòng t ải th ể hi ện chính là giá tr ị dòng trung bình đầ u ra ngh ịch l ưu trong m ỗi chu k ỳ c ắt m ẫu. Vì v ậy ch ỉ c ần xác đị nh độ đậ p m ạch l ớn nh ất c ủa dòng Io(t) . Bỏ qua ảnh h ưở ng c ủa R s đố i v ới độ đậ p m ạch dòng t ải, ta có: di( t ) Lo ≅ ∆ u() t sdt o Trong NLNA PWM ∆ U o ,max = 2 U DC . Dòng điện có độ đậ p m ạch l ớn nh ất khi h ệ số l ấp đầ y xung (Duty ratio) là d = 0,5. Do đó: Ts ∆Uo,max ∆Io,max ≈⋅ ≈ UTL DCss/ 2 4 Ls 6. Xác đị nh giá tr ị điện c ảm Ls. Lấy s ụt áp t ại t ần s ố c ơ b ản b ằng 10%U o.( Đố i v ới công su ất nh ỏ). ULs = I o.X Ls = 0,1.U o = 0,1.220 = 22(V) ⇒ XLs = 22/5,68 = 3,8732( Ω) ⇒ Ls = 12 (mH); -4 -3 Độ đậ p m ạch dòng t ải b ằng : ∆Io,max = 380.0,5.10 /(2.12.10 )= 0,79 A. So v ới biên độ dòng điện thì độ đậ p m ạch b ằng ∆IL 100% = 0,79/8 = 20 %. Đây có th ể coi là giá tr ị ch ấp nh ận đượ c. 10/22/2010 25
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM 7. Tính toán t ụ C c ủa m ạch l ọc LC. Trong NL PWM điện áp ra ch ủ y ếu là sóng c ơ b ản. Các thành ph ần sóng hài b ậc cao xu ất hi ện ở chung quang t ần s ố đóng c ắt fs, c ụ th ể là h.f s +/- l.f 1, trong đó h = 1, 2, ., l = 1, 2, Nh ững t ần s ố sóng hài th ấp nh ất là fs – f1, f s -2.f 1, Tuy nhiên do fs >> f 1 nên các sóng hài này ch ủ y ếu t ập trung ở quanh fs, ngh ĩa là r ất xa so v ới f1. Điều này làm đơ n gi ản vi ệc tính toán m ạch l ọc LC ở đầ u ra ngh ịch lưu r ất nhi ều. 1 Ch ọn t ần s ố c ắt c ủa m ạch l ọc t ần s ố th ấp LC sao cho: ωLC=≪ ω s = 2 π f s LC Không c ần để ý đế n điều ki ện tránh c ộng h ưở ng ở các sóng hài có th ể có trên sóng điện áp ra. 3 Ch ọn ωCL = 0,1 ωs ⇒ ωCL = 12,5664.10 (rad/s) . V ậy: 11 1 1 C = = = 0,53 ()µF L ω 212.10 − 3 3 2 CL ()12,5664.10 Có th ể ch ọn tr ị s ố t ụ C l ớn h ơn, ví d ụ 1 µF. Để đả m b ảo t ần s ố c ắt ωCL giá tr ị tụ ph ải ch ọn l ớn h ơn để bù vào công su ất ph ản kháng c ủa t ải. 10/22/2010 26
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM 8. Bù công su ất ph ản kháng c ủa t ải: 22 2 2 QL=−= S o P o 1250 − 1000 = 750(Var ) Nếu bù b ằng t ụ C thì ph ải có QC = Q L; 2 U QC 750 Q=C = ω CU 2 C= = = 49,35 ()µ F C C ωU 22. π .50.220 2 X C C So v ới giá tr ị t ụ C tính ở m ục (7) th ấy r ằng có th ể ch ọn t ụ C=50 µF là phù h ợp. 9. C ần ki ểm tra l ại điều ki ện ở t ần s ố c ơ b ản XC >> X L: Nếu không s ẽ t ạo nên phân áp gi ữa XC và XL, không th ể đạ t đượ c điện áp 220 V ở đầ u ra. −3 X L =2.π .50.12.10 = 3,768 Ω ; −6 X C =1/() 2.π .50.50.10 = 63,7 Ω Th ực s ự là XC >> X L . 10. Ki ểm tra l ại s ố li ệu tính toán c ủa s ơ đồ b ằng mô hình mô ph ỏng. Đây là ph ươ ng pháp r ất hi ệu qu ả để ki ểm ch ứng các tính toán t ừ m ục (1) đế n (9) trên đây. 10/22/2010 27
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.7 Tính toán các thông s ố c ủa s ơ đồ NLNA PWM 11. Tính toán t ụ C c ủa m ạch m ột chi ều. Tụ C trong m ạch m ột chi ều dóng vai trò là t ụ l ọc c ủa m ạch ch ỉnh l ưu phía tr ướ c, vừa đóng vai trò ti ếp nh ận công su ất ph ản kháng t ừ m ạch ngh ịch l ưu do các điôt ng ượ c đư a v ề. V ậy giá tr ị c ủa t ụ là giá tr ị nào c ần l ớn h ơn. Tr ườ ng h ợp n ặng n ề nh ất là dòng t ải ở giá tr ị biên độ , h ệ s ố d = 0,5 (t ươ ng ứng khi t ải thu ần c ảm, điện áp điều ch ế qua không), khi đó: ∆t ∆U =x ∆ I ∆=tT/ 2; ∆= II CC C xs Co ,max Th ườ ng ch ọn ∆UC = 0,05 ÷0,1U DC . Có th ể tính đượ c: ∆IC 8 −6 C ==3 =10,53.10 ≈ 10 ()µF 2fs∆ U C 2.20.10 .0,05.380 Tụ C tính đượ c có giá tr ị khá nh ỏ, ch ứng t ỏ ưu vi ệt c ủa PWM. Trong tr ườ ng h ợp này t ụ m ột chi ều C s ẽ đượ c xác đị nh ch ủ y ếu t ừ điều ki ện san b ằng điện áp đầ u ra ch ỉnh l ưu. 10/22/2010 28
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.8 Mô ph ỏng s ơ đồ NLNA PWM Mô hình Trên MATLAB Sơ đồ 1, nửa cầu Sơ đồ 2, Cầu một pha 10/22/2010 29
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.8 Mô ph ỏng s ơ đồ NLNA PWM Kết qu ả ở mô hình 1, s ơ đồ n ửa Đồ th ị dòng, áp ra NL. cầu (m=0,8; U DC =200V) Tần s ố điều ch ế ch ọn th ấp 1 kHz để minh h ọa rõ h ơn độ đậ p m ạch c ủa dòng t ải. Dòng đậ p m ạch l ớn nh ất ở th ời điểm điện áp điều ch ế m(t) qua 0 (khi d=0,5). N ếu lúc b ấy gi ờ dòng đạ t giá tr ị biên độ (t ải g ần thu ần c ảm) thì chu k ỳ điều ch ế này xác đị nh dòng đỉ nh l ớn nh ất (Tr ườ ng h ợp x ấu nh ất). Đây là c ơ s ở tính toán dòng đỉ nh qua van và điôt ở m ục (5), ph ần V.3.7. 10/22/2010 30
V.3 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp một pha V.3.8 Mô ph ỏng s ơ đồ NLNA PWM Kết qu ả ở mô hình 2, s ơ đồ c ầu Đồ th ị dòng, áp đầ u ra. một pha. Tham s ố tính toán theo ph ần 3.7. Tần s ố điều ch ế 20 kHz. Mạch l ọc LC tính toán theo: 1. Cu ộn c ảm L đả m b ảo độ đậ p mạch dòng t ải trong ph ạm vi 20%. Tần s ố c ắt c ủa m ạch l ọc b ằng 1/10 t ần s ố fs. Tụ l ọc C tính theo t ần s ố c ắt của m ạch l ọc và hi ệu ch ỉnh để bù công su ất ph ản kháng c ủa tải. L = 12 mH, C = 50 uF. 10/22/2010 31
V.4 Ngh ịch l ưu ngu ồn áp c ầu ba pha V.4.1 S ơ đồ c ầu ba pha VSI c ầu ba pha có th ể coi g ồm ba VSI c ầu ba pha nhánh van n ửa c ầu (V1, V4), (V3, V6), (V5, V2). Các van trên cùng nhánh c ầu không bao gi ờ đượ c m ở cùng nhau. Tải phía xoay chi ều n ối gi ữa các điểm ra c ủa n ửa c ầu nên không cần đế n điểm gi ữa ở phía m ột chi ều nh ư s ơ đồ n ửa c ầu thông Cầu ba pha = 3 n ửa c ầu. th ườ ng. Để s ử d ụng các k ết qu ả v ề PWM 1 U DC của s ơ đồ n ửa c ầu cho s ơ đồ c ầu 2 ba pha ta v ẫn s ử d ụng m ạch điện 1 U tươ ng đươ ng c ầu ba pha nh ư ba 2 DC nửa c ầu, v ới điểm gi ữa phía DC. 10/22/2010 32
V.4.1 S ơ đồ c ầu ba pha U DC 2 Ph ươ ng pháp điều khi ển c ơ b ản θ π 2π U − DC Dạng điện áp ra 6 xung c ủa VSI c ầu ba pha. 2 U DC 2 uAn , u Bn , u Cn là ba điện áp ra c ủa s ơ đồ n ửa θ cầu (+/-U /2 ), l ệch pha nhau 120 °. U DC − DC 2 U uZn =1/3.(uAn + u Bn + u Cn ); u Zn có d ạng xung DC 2 ch ữ nh ật, t ần s ố 3f , biên độ +/-1/6U DC . θ U − DC uA=u An -uZn ; u B=u Bn -uZn ; uC=u Cn -uZn ; 2 2U DC U uAB =u An -uBn ; u BC =u Bn -uCn ; uCA =u Cn -uAn . 3 DC 3 θ Sóng hài c ơ b ản điện áp pha đầ u ra: 1 π U(1) = usin θ d θ 6s π ∫ −π θ 21π/3 2/3 π 2 π 1  =UDC ∫sinθθ d + ∫ sin θθ d + ∫ sin θθ d  π 03π /3 3 2/3 π 3  2 θ = U π DC U DC 6 10/22/2010 33
V.4.2 Điều ch ế PWM cho ngh ịch l ưu c ầu ba pha Sơ đồ điều khi ển SPWM SPWM (sinusoidal PWM) cho cầu ba pha đượ c th ực hi ện cho ba sơ đồ n ửa c ầu: v ới ba sin chu ẩn, τ cùng m ột h ệ th ống điện áp r ăng τ cưa (Carrier based – PWM). Hệ s ố điều ch ế: m = m ref /m s , biên τ độ sóng sin chu ẩn trên biên độ răng c ưa. Trong d ải điều ch ế τ tuy ến tính điện áp ra hình sin, yêu c ầu 0 ≤ m ≤ 1. τ Các tiêu chu ẩn đánh giá: τ M = U 1m /U 1m,6s biên độ sóng hài bậc nh ất so v ới sóng b ậc nh ất c ủa dạng điện áp ra 6 xung. Sơ đồ nguyên lý thực hiện CB- 0 ≤ M ≤ 0,785 . PWM 10/22/2010 34
V.4.2 Điều ch ế PWM cho ngh ịch l ưu c ầu ba pha Sơ đồ điều khi ển SPWM Mẫu xung điều khi ển trong PWM với r ăng c ưa đố i x ứng: Mẫu xung cho th ấy d ạng t ối ưu về chuy ển m ạch, m ỗi l ần ch ỉ có một pha ph ải đóng c ắt. Tr ạng thái van cho ra điện áp bằng 0 ( ứng v ới vector không trong SVM) phân b ố đố i x ứng ở hai đầ u và gi ữa chu k ỳ T s. 10/22/2010 35
V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không Khái ni ệm v ề ZSS-PWM Với điều ch ế điện áp ra hình sin theo m ạch điện t ươ ng đươ ng v ới s ơ đồ n ửa cầu điện áp ra trên m ỗi pha đầ u ra ch ỉ thay đổ i gi ữa +/- UDC /2 , là biên độ lớn nh ất c ủa điện áp ra. Chính vì v ậy theo SPWM h ệ s ố điều ch ế l ớn nh ất ch ỉ là Mmax = (U DC /2)/ (2/ π.U DC )= π/4=0,785 (m=1). Th ực ra v ới s ơ đồ c ầu không c ần điểm gi ữa c ủa m ạch DC và điện áp ra là +U DC và –UDC . Điều này ngh ĩa là biên độ điện áp sóng sin c ơ b ản điều ch ế ra ngh ịch l ưu có th ể l ớn h ơn, ít nh ất là đế n 2/ π.U DC nh ư ở d ạng điện áp ra 6 xung. Ph ươ ng pháp điều ch ế có thành ph ần th ứ t ự 0 (Zero Sequence Signal PWM – ZSS PWM) d ựa trên c ơ s ở là trong h ệ th ống ba pha cân b ằng thành ph ần th ứ t ự không có tr ở kháng vô cùng l ớn. Điều này ngh ĩa là n ếu trong d ạng sóng chu ẩn mong mu ốn có thành ph ần sóng hài b ậc 3 thì thành ph ần này không th ể xu ất hi ện ở d ạng sóng điện áp ra. Thành ph ần sóng hài b ậc 3 trên mỗi pha th ể hi ện trên th ế c ủa điểm trung tính t ải, uZn . N ếu uZn có sóng hài bậc 3 thì điện áp ra c ũng không b ị ảnh h ưở ng gì. 10/22/2010 36
V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không Khái ni ệm v ề ZSS-PWM Nếu thêm vào thành ph ần sóng hài b ậc 3 trên d ạng điện áp sóng sin chu ẩn, có th ể m ở r ộng đượ c d ải thay đổ i c ủa biên độ sóng hài b ậc nh ất điện áp ra mà không ảnh h ưở ng gì đế n d ải điều ch ế tuy ến tính c ủa VSI ba pha. Sóng b ậc 3 thêm vào có th ể có d ạng sin, tam giác, ho ặc ch ữ nh ật. Biên độ sóng b ậc 3 hình sin b ằng ¼ biên độ sóng ra mong mu ốn c ơ b ản tươ ng ứng v ới h ệ s ố sóng hài dòng điện ra nh ỏ nh ất. Sóng b ậc 3 b ằng 1/6 sóng c ơ b ản thì d ải điều ch ế tuy ến tính đượ c m ở r ộng ra đế n l ớn nh ất đế n M max = π / 2 3 = 0,907 . H ệ s ố điều ch ế mmax mở r ộng đế n 1,154, t ức là t ăng thêm đượ c 15,4%. Hệ s ố mmax mở r ộng đượ c đế n giá tr ị nào mà d ạng sóng điều ch ế thu đượ c mref còn nh ỏ h ơn ho ặc b ằng 1, ngh ĩa là v ẫn trong vùng tuy ến tính đố i v ới tín hi ệu r ăng c ưa. 10/22/2010 37
V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không Dạng tín hi ệu ch ủ đạ o trong ZSS-PWM Minh h ọa ph ươ ng pháp Đồ th ị d ạng tín hi ệu điều ch ế ZZS PWM. tạo tín hi ệu điều khi ển trong điều ch ế v ới thành m=1,154. ph ần th ứ t ự 0. Hai d ạng tín hi ệu sóng b ậc ba đượ c dùng: - Sóng b ậc 3 hình sin (biên độ ¼ ho ặc 1/6 biên độ sóng c ơ b ản). - Sóng b ậc 3 hình tam giác. T ươ ng đươ ng v ới điều ch ế vector không gian SVPWM. 10/22/2010 38
V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không Dạng tín hi ệu ch ủ đạ o trong ZSS-PWM Đồ th ị d ạng tín hi ệu điều ch ế ZZS PWM. Có th ể th ấy các tín hi ệu điều ch ế sin mong mu ốn có d ạng méo l ẫn sóng hài bậc ba 10/22/2010 39
V.4.3 Điều ch ế PWM v ới thành ph ần th ứ t ự không Dạng tín hi ệu ch ủ đạ o trong ZSS-PWM Đồ th ị d ạng xung c ủa b ộ điều ch ế ZZS PWM. 10/22/2010 40
V.4.4 Các thông s ố c ơ b ản c ủa PWM c ầu ba pha Thông số Ký hi ệu Đị nh ngh ĩa Gi ải thích 1. H ệ số điều ch ế, s ử d ụng M U Đố i với SPWM điện M = 1m hai lo ại h ệ s ố điều ch ế: áp ra hình sin U1m ,6 s - Biên độ sóng ra b ậc nh ất 0≤M ≤ 0,785 U so v ới d ạng áp ra 6 xung. = 1m π / 4= 0,785 ()2 / π U DC ( ) -Tỷ số biên độ sóng sin m U Trong d ải điều ch ế m = m, ref điều ch ế so v ới biên độ U tuy ến tính SPWM sóng r ăng c ưa. mc 0≤m ≤ 1 2. D ải điều ch ỉnh tuy ến Mmax 0 0,907 Ph ụ thu ộc d ạng tín tính l ớn nh ất mmax 0 1,154 hi ệu điều ch ế ch ủ đạ o ZSS-PWM 3. Quá điều ch ế M > M max Dải điều ch ế phi tuy ến m > m max (điện áp ra méo d ạng) 10/22/2010 41
V.4.4 Các thông s ố c ơ b ản c ủa PWM c ầu ba pha Thông số Ký hi ệu Đị nh ngh ĩa Gi ải thích 4. Tỷ s ố gi ữa t ần s ố điều mf mf = f s/f 1 mf là số nguyên là t ốt ch ế so v ới t ần s ố c ơ b ản nh ất, mf >20. 5. T ần số đóng c ắt fs fs=1/T s Ts là chu k ỳ điều ch ế 6. H ệ số méo phi tuy ến THD THD%=I h/I s1 * Dùng cho dòng điện 100 và điện áp. 7. H ệ số méo dòng điện d Ih/I h,6s Không ph ụ thu ộc tr ở kháng t ải. 10/22/2010 42
V.5 Ph ươ ng pháp điều ch ế vector không gian - SVM V.5.1 Khái ni ệm v ề vector không gian – Space vector Một h ệ th ống điện áp, dòng điện Bi ểu di ễn d ướ i d ạng ma tr ận: ba pha b ất k ỳ X = (XA, X B, X C), nếu 1 1  th ỏa mãn , 1 − −  Xa+ X b + X c = 0 uα  2 2 2 T   u u u Qua phép bi ến đổ i Clark tr ở thành   = []A B C uβ  3 3 3  một vector: 0 − 2 2  2 2 T u =u + au + a u = T1.[] uA u B u C 3 ()A B C 2π  j 1 3 Nếu: Trong đó: a= e3 =− + j u= Um cos ω t 2 2  A () Bi ểu di ễn trên tr ục t ọa độ vector  m 2π  u tr ở thành: uB = Ucosω t -   3    1 m 2π  u=()2 uuu − − uC = Ucos ω t +   α 3 A B C  3   Vector u tr ở thành vetor quay:  1 uβ =() uB − u C  3 u = Um e j(ω t ) 10/22/2010 43
V.5 Ph ươ ng pháp điều ch ế vector không gian - SVM V.5.1 Khái ni ệm v ề vector không gian – Space vector jω t Tươ ng t ự vector điện áp u = U m e ( ) Độ dài c ủa vetor chính là biên độ vector dòng điện có th ể là: của các thành ph ần t ươ ng ứng. i = Im e j(ω t − ϕ ) Nếu trong điện áp có các thành Với ϕ là góc pha gi ữa dòng điện v ới ph ần sóng hài b ậc cao thì vector điện áp. bi ểu di ễn qua các thành ph ần nh ư Vector không gian t ổng quát: trong chu ỗi ph ức Fourie nh ư sau: ∞ ∞ hệ th ống điện vector đượ c bi ểu jkω t* − jk ω t u=∑ upke + ∑ u nk e di ễn b ởi ba thành ph ần: k=0 k = 1 Thành ph ần th ứ t ự thu ận, Trong đó: Thành ph ần th ứ t ự ng ượ c, T Thành ph ần th ứ t ự không. 1 − jkω t upk =∫ u e dt, k = 0,1, , ∞ u=up +u n +u zer T 0 m j(θ+ θ 0 ) T up = Up e ; ∗1 + jkω t unk =∫ u e dt, k = 1,2, , ∞ −j θ + θ m ()1 T 0 un = Un e ; 1 u =()u + u + u . zer 3 A B C 10/22/2010 44