Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều (Phần 3)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều (Phần 3)

1. Điện tử công suất 1 4.7 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU NHIỀU PHA Bộ biến đổi một chiều nhiều pha có cấu tạo gồm nhiều bộ biến đổi một chiều đơn ghép lại. Các bộ biến đổi một chiều đơn này có sóng răng cưa lệch pha nhau góc tương ứng thời gian T/m , với T là chu kỳ sóng răng cưa dùng điều khiển mỗi bộ biến đổi đơn và m là tổng số bộ biến đổi đơn có trong mạch. Phương pháp điều khiển các bộ biến đổi một chiều nhiều pha được sử dụng chủ yếu là điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi. Theo cấu tạo, ta phân biệt bộ biến đổi nhiều pha không sử dụng máy biến áp trung gian và bộ biến đổi sử dụng máy biến áp trung gian. Theo cách ghép các bộ biến đổi một chiều ta phân biệt bộ biến đổi một chiều nhiều pha song song và bộ biến đổi một chiều nhiều pha nối tiếp. 4.7.1 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU NHIỀU PHA SONG SONG Trường hợp không sử dụng máy biến áp trung gian: Bộ biến đổi nhiều pha trên hình vẽ H4.21 có cấu tạo gồm 2 khóa bán dẫn S1,S2. Mỗi khóa có trang bị diode không kèm theo D1,D2. Ngõ ra của mỗi bộ biến đổi đơn (Sj,Dj) mắc vào cuộn kháng nắn dòng Lj. Các cuộn kháng đấu chung vào điểm nút với tải DC. Mặc dầu các khóa Sj của các bộ biến đổi đơn được điều khiển kích dẫn ở những thời điểm không hoàn toàn giống nhau, nhưng ở chế độ xác lập, tỉ số thời gian đóng của mỗi khóa Sj đều bằng nhau. Mặc khác, ta biết trị trung bình điện áp trên các cuộn kháng nắn dòng Lj bằng zero nên ta suy ra trị trung bình điện áp trên tải khi tỉ số thời gian đóng bằng γ là: Ut= γ .U (4.51) Dòng điện tải it được phân bố đồng đều trên các bộ biến đổi nhánh mắc song song. Trong thực tế, thông số các phần tử trên các bộ biến đổi nhánh không đồng nhất và xuất hiện sự sai biệt dòng điện giữa các nhánh. Do đó, mạch hiệu chỉnh dòng điện 4-19
2. Điện tử công suất 1 sẽ phải thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh độ rộng xung thích hợp để cân bằng dòng điện qua các pha nhánh. Hệ quả của bộ biến đổi nhiều pha: Với giả thiết dòng điện qua tải và qua nguồn DC được nắn lý tưởng, có thể chứng minh rằng, biên độ thành phần xoay chiều của điện áp xuất hiện trên tụ lọc Cf giảm tỉ lệ với bình phương số pha của bộ biến đổi và biên độ thành phần dòng xoay chiều xuất hiện phía tải giảm tuyến tính với số pha của bộ biến đổi. Các đồ thị trên hình H4.22 mô tả giản đồ đóng ngắt các công tắc S1,S2 với tỉ số γ 0.5. Trường hợp sử dụng máy biến áp trung gian: Sơ đồ mạch bộ biến đổi nhiều pha sử dụng máy biến áp trung gian được vẽ minh họa trên hình H4.24 với số pha m 4-20
3. Điện tử công suất 1 bằng 2. Từ ứng dụng của máy biến áp trung gian trong bộ chỉnh lưu, ta thấy rằng nó có tác dụng tạo điều kiện phân bố dòng điện đều đặn trên các nhánh pha. Đồng thời, từ việc phân tích điện áp trên tải dưới tác dụng máy biến áp trung gian, kết quả dẫn đến việc giảm bớt thành phần xoay chiều điện áp trên tải DC. : Phân tích quá trình điện áp: Phân tích quá trình điện áp trên tải có thể thực hiện tương tự như phân tích quá trình chuyển mạch của hai nhóm chỉnh lưu – xem chương 2- phần 2.11, 2.12). Lúc đó, mạch tương đương của bộ biến đổi nhiều pha có dạng tương đương trên hình H4.24. Với ud1 và ud2 có thể suy ra từ giản đồ kích đóng các linh kiện S1,S2. ⎧U khi S1 = 1 ⎧U khi S2 = 1 ud1 = ⎨ ;ud 2 = ⎨ (4.52) ⎩0 khi S1 = 0 ⎩0 khi S2 = 0 Giả thiết cuộn dây máy biến áp trung gian chia làm 2 phần bằng nhau với độ tự cảm trên mỗi nửa bằng LT/2 và giả thiết các vòng dây quấn kín lõi từ, ta có phương trình áp trên tải trong quá trình chuyển mạch: u u u + u u = u − LT = u + LT = d1 d 2 (4.53) t d1 2 d 2 2 2 Điện áp trên tải bằng trị trung bình điện áp tức thời của hai nguồn đấu vào nó. Các khả năng kết hợp của nguồn ud1 và ud2 được cho trong bảng B4.1: Bảng B4.1 o n ud1 ud2 ut 1 U U U 2 0 U U/2 3 U 0 U/2 4 0 0 0 Như vậy, nếu điều khiển điện áp tải theo kiểu phối hợp hai trạng thái 1 và 2 hoặc 1 và 3, ta có thể làm thay đổi điện áp tải trong phạm vi (U/2;U). Tương tự, kết 4-21
4. Điện tử công suất 1 hợp hai trạng thái 2 và 4 hoặc 3 và 4, ta có thể điều chỉnh điện áp trên tải nằm trong phạm vi (0;U/2). Giản đồ đóng ngắt và quá trình điện áp tải ut, dòng tải it, quá trình điện áp uLT và dòng điện từ hóa iu của máy biến áp, dòng điện qua các nhánh pha i1, i2 và dòng điện qua nguồn DC i có thể theo dõi trên hình H4.25 cho tỉ số γ 1/2. Phân tích quá trình dòng điện: Dòng điện qua máy biến áp trung gian gồm dòng điện qua hai nhánh pha. Dòng qua mỗi nhánh pha chứa thành phần dc và thành phần ac. Giả thiết cấu tạo hai nhánh pha là đồng nhất, thành phần dòng điện dc trong mỗi nhánh sẽ như nhau. Do điện áp tạo trên mỗi nửa máy biến áp trung gian bằng nhau nên suy ra dòng từ hóa của chúng cũng bằng nhau. Từ đó, ta có: i1=id/2+iu/2 (4.54) i2=id/2-iu/2 Dòng điện từ hóa máy biến áp trung gian iu=i1-i2 (4.55) Trong trường hợp cảm kháng máy biến áp trung gian vô cùng lớn LT → ∞ , ta bỏ qua dòng từ hóa và dòng qua mỗi nhánh pha bằng nửa giá trị dòng tải: iu=0 i1=i2=id/2 (4.56) Quá trình dòng điện qua tải và mỗi nhánh pha được vẽ minh họa trên hình H4.26. 4-22
5. Điện tử công suất 1 Có thể dẫn giải rằng, với cùng một giá trị độ tự cảm L mạch tải như nhau, bộ biến đổi m pha sẽ cho độ nhấp nhô dòng điện tải giảm đi m bình phương (m2) lần Bộ biến đổi điện áp một chiều 4 pha sử dụng máy biến áp trung gian- xem sơ đồ trên hình vẽ H4.27. Bằng cách kết hợp điều khiển 4 khóa S1,S2,S3 và S4- xem bảng trạng thái kèm theo, ta có thể thay đổi điện áp trên tải trong các phạm vi (0;U/4), (U/4;U/2), (U/2;3U/4) và (3U/4;U) (xem bảng B4.2) Các điện áp trung gian có thể xác định theo các hệ thức sau: u + u u + u u + u u + u + u + u u = d1 d 2 ; u = d3 d4 và u = d12 d34 = d1 d 2 d3 d4 d12 2 d34 2 t 2 4 (4.57) Xung kích đóng các công tắc được thực hiện lệch pha nhau 1/m chu kỳ sóng răng cưa với cùng tỉ số γ . Trên hình H4.27 minh họa các trường hợp khác nhau của dạng điện áp tải ut khi tỉ số thời gian đóng γ thay đổi. Trên hình vẽ H4.28a,b minh họa cho trường hợp 0.75< γ <1 đồ thị các quá trình xung kích đóng các linh kiện, quá trình điện áp và dòng điện qua tải ut,it , dòng điện qua nguồn I, dòng điện qua các nhánh của máy biến áp trung gian i1,i2,i3. i4,i5,i6. dòng điện từ hóa máy biến áp iu1,iu2,iu3; và điện áp trên phía sơ cấp biến thế uLT1, uLT2 và uLT3. 4-23
6. Điện tử công suất 1 Bảng B4.2 0 N S1 S2 S3 S4 ud12 ud34 ud 01 0 0 0 0 0 0 0 02 0 0 0 1 0 U/2 U/4 03 0 0 1 0 0 U/2 U/4 04 0 0 1 1 0 U U/2 05 0 1 0 0 U/2 0 U/4 06 0 1 0 1 U/2 U/2 U/2 07 0 1 1 0 U/2 U/2 U/2 08 0 1 1 1 U/2 U 3U/4 09 1 0 0 0 U/2 0 U/4 10 1 0 0 1 U/2 U/2 U/2 11 1 0 1 0 U/2 U/2 U/2 4-24
7. Điện tử công suất 1 12 1 0 1 1 U/2 U 3U/4 13 1 1 0 0 U 0 U/2 14 1 1 0 1 U U/2 3U/4 15 1 1 1 0 U U/2 3U/4 16 1 1 1 1 U U U 4-25