Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 1)

1. Ñieän töû coâng suaát 1 CHÖÔNG NAÊM BOÄ NGHÒCH LÖU VAØ BOÄ BIEÁN TAÀN Boä nghòch löu coù nhieäm vuï chuyeån ñoåi naêng löôïng töø nguoàn ñieän moät chieàu khoâng ñoåi sang daïng naêng löôïng ñieän xoay chieàu ñeå cung caáp cho taûi xoay chieàu. Ñaïi löôïng ñöôïc ñieàu khieån ôû ngoõ ra laø ñieän aùp hoaëc doøng ñieän. Trong tröôøng hôïp ñaàu, boä nghòch löu ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp vaø tröôøng hôïp sau laø boä nghòch löu doøng. Nguoàn moät chieàu cung caáp cho boä nghòch löu aùp coù tính chaát nguoàn ñieän aùp vaø nguoàn cho boä nghòch löu doøng coù tính nguoàn doøng ñieän. Caùc boä nghòch löu töông öùng ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp nguoàn aùp vaø boä nghòch löu doøng nguoàn doøng hoaëc goïi taét la øboä nghòch löu aùp vaø boä nghòch löu doøng. Trong tröôøng hôïp nguoàn ñieän ôû ñaàu vaøo vaø ñaïi löôïng ôû ngoõ ra khoâng gioáng nhau, ví duï boä nghòch löu cung caáp doøng ñieän xoay chieàu töø nguoàn ñieän aùp moät chieàu, ta goïi chuùng laø boä nghòch löu ñieàu khieån doøng ñieän töø nguoàn ñieän aùp hoaëc boä nghòch löu doøng nguoàn aùp. Caùc boä nghòch löu taïo thaønh boä phaän chuû yeáu trong caáu taïo cuûa boä bieán taàn. ÖÙùng duïng quan troïng vaø töông ñoái roäng raõi cuûa chuùng nhaèm vaøo lónh vöïc truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô xoay chieàu vôùi ñoä chính xaùc cao. Trong lónh vöïc taàn soá cao, boä nghòch löu ñöôïc duøng trong caùc thieát bò loø caûm öùng trung taàn, thieát bò haøn trung taàn. Boä nghòch löu coøn ñöôïc duøng laøm nguoàn ñieän xoay chieàu cho nhu caàu gia ñình, laøm nguoàn ñieän lieân tuïc UPS, ñieàu khieån chieáu saùng, boä nghòch löu coøn ñöôïc öùng duïng vaøo lónh vöïc buø nhuyeãn coâng suaát phaûn khaùng. Caùc taûi xoay chieàu thöôøng mang tính caûm khaùng (ví duï ñoäng cô khoâng ñoàng boä, loø caûm öùng), doøng ñieän qua caùc linh kieän khoâng theå ngaét baèng quaù trình chuyeån maïch töï nhieân. Do ñoù, maïch boä nghòch löu thöôøng chöùa linh kieän töï kích ngaét ñeå coù theå ñieàu khieån quaù trình ngaét doøng ñieän. Trong caùc tröôøng hôïp ñaëc bieät nhö maïch taûi coäng höôûng, taûi mang tính chaát dung khaùng (ñoäng cô ñoàng boä kích töø dö ), doøng ñieän qua caùc linh kieän coù theå bò ngaét do quaù trình chuyeån maïch töï nhieân phuï thuoäc vaøo ñieän aùp nguoàn hoaëc phuï thuoäc vaøo ñieän aùp maïch taûi. Khi ñoù, linh kieän baùn daãn coù theå choïn laø thyristor (SCR). 5.1 - BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP Boä nghòch löu aùp cung caáp vaø ñieàu khieån ñieän aùp xoay chieàu ôû ngoõ ra. Trong caùc tröôøng hôïp khaûo saùt döôùi ñaây ta xeùt boä nghòch löu aùp vôùi quaù trình chuyeån maïch cöôõng böùc söû duïng linh kieän coù khaû naêng ñieàu khieån ngaét doøng ñieän. Nguoàn ñieän aùp moät chieàu coù theå ôû daïng ñôn giaûn nhö acquy, pin ñieän hoaëc ôû daïng phöùc taïp goàm ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc chænh löu vaø loïc phaúng. Linh kieän trong boä nghòch löu aùp coù khaû naêng kích ñoùng vaø kích ngaét doøng ñieän qua noù, töùc ñoùng vai troø moät coâng taéc. Trong caùc öùng duïng coâng suaát nhoû vaø vöøa, coù theå söû duïng transistor BJT, MOSFET, IGBT laøm coâng taéc vaø ôû phaïm vi coâng suaát lôùn coù theå söû duïng GTO, IGCT hoaëc SCR keát hôïp vôùi boä chuyeån maïch. Vôùi taûi toång quaùt, moãi coâng taéc coøn trang bò moät diode maéc ñoái song vôùi noù. Caùc diode maéc ñoái song naøy taïo thaønh maïch chænh löu caàu khoâng ñieàu khieån coù chieàu daãn ñieän ngöôïc laïi vôùi chieàu daãn ñieän cuûa caùc coâng taéc. Nhieäm vuï cuûa boä chænh löu caàu diode laø taïo ñieàu kieän 5-1
2. Ñieän töû coâng suaát 1 thuaän lôïi cho quaù trình trao ñoåi coâng suaát aûo giöõa nguoàn moät chieàu vaø taûi xoay chieàu, qua ñoù haïn cheá quaù ñieän aùp phaùt sinh khi kích ngaét caùc coâng taéc. 5.1.1 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP MOÄT PHA Boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu (coøn goïi laø boä nghòch löu daïng chöõ H) (hình H5.1a) chöùa 4 coâng taéc vaø 4 diode maéc ñoái song. Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñoà thò aùp taûi ñöôïc veõ treân hình 5.1b. Boä nghòch löu cuõng coù theå maéc döôùi daïng maïch tia (hình H5.2). Maïch goàm hai coâng taéc vaø hai diode maéc ñoái song vôùi chuùng. Maïch taûi vaø ngoõ ra cuûa boä nghòch löu caùch ly qua maùy bieán aùp vôùi cuoän sô caáp phaân chia. Phía Trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng maùy bieán aùp caùch ly phía taûi, nguoàn ñieän aùp moät chieàu caàn thieát keá vôùi nuùt phaân theá ôû giöõa (hình H5.3), ñaây laø daïng maïch nghòch löu aùp nöûa caàu. 5-2
3. Ñieän töû coâng suaát 1 5.1.2 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP BA PHA Trong thöïc teá maïch boä nghòch löu aùp ba pha chæ gaëp ôû daïng maïch caàu (hình H5.4a). Maïch chöùa 6 coâng taéc S1,S2 S6 vaø 6 diode ñoái song D1,D2 D6. 5-3
4. Ñieän töû coâng suaát 1 Taûi ba pha coù theå maéc ôû daïng hình sao (H5.4b) hoaëc tam giaùc (H5.4c). 5.1.3 BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC (Multi-level Voltage source Inverter) Caùc boä nghòch löu vöøa ñöôïc moâ taû ôû phaàn 5.1.1 vaø 5.1.2 chöùa 2 khoùa baùn daãn (IGBT) treân moãi nhaùnh pha taûi. Chuùng ñöôïc goïi chung laø loïai nghòch löu aùp 2 baäc (two- level VSI), ñöôïc aùp duïng roäng raõi trong phaïm vi coâng suaát vöøa vaø nhoû. Khaùi nieäm hai baäc xuaát phaùt töø quaù trình ñieän aùp giöõa ñaàu moät pha taûi (vò trí 1,2,3) ñeán moät ñieåm ñieän theá chuaån treân maïch dc (ñieåm 0) (pole to phase voltage) thay ñoåi giöõa hai baäc giaù trò khaùc nhau, ví duï khi choïn ñieåm coù ñieän theá chuaån laø taâm nguoàn dc thì ñieän aùp töø pha taûi ñeán taâm nguoàn thay ñoåi giöõa (+U/2) vaø (-U/2) trong quaù trình ñoùng ngaét caùc linh kieän. Boä nghòch löu aùp 2 baäc coù nhöôïc ñieåm laø taïo ñieän aùp cung caáp cho cuoän daây ñoäng cô vôùi ñoä doác (dV/dt) khaù lôùn vaø gaây ra moät soá vaán ñeà khoù khaên bôûi toàn taïi traïng thaùi khaùc zero cuûa toång ñieän theá töø caùc pha ñeán taâm nguoàn dc (common-mode voltage) (xem daïng ñieän aùp uNO). Boä nghòch löu aùp ña baäc ñöôïc phaùt trieån ñeå giaûi quyeát caùc vaán ñeà gaây ra neâu treân cuûa boä nghòch löu aùp 2 baäc vaø thöôøng ñöôïc söû duïng cho caùc öùng duïng ñieän aùp cao vaø coâng suaát lôùn. Öu ñieåm cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc: coâng suaát cuûa boä nghòch löu aùp taêng leân; ñieän aùp ñaët leân caùc linh kieän bò giaûm xuoáng neân coâng suaát toån hao do quaù trình ñoùng ngaét cuûa linh kieän cuõng giaûm theo; vôùi cuøng taàn soá ñoùng ngaét, caùc thaønh phaàn soùng haøi baäc cao cuûa ñieän aùp ra giaûm nhoû hôn so vôùi tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp hai baäc. Ñoái vôùi taûi coâng suaát lôùn, ñieän aùp cung caáp cho caùc taûi coù theå ñaït giaù trò töông ñoái lôùn, Caùc caáu hình cô baûn cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc: Caáu hình daïng cascade (Cascade inverter):[28],[48] -hình H5.5b, söû duïng caùc nguoàn dc rieâng, thích hôïp söû duïng trong tröôøng hôïp nguoàn dc coù saün ví duï döôùi daïng acquy, battery. Cascade inverter goàm nhieàu boä nghòch löu aùp caàu moät pha gheùp noái tieáp, caùc boä nghòch löu aùp daïng caàu moät pha naøy coù caùc nguoàn DC rieâng. 5-4
5. Ñieän töû coâng suaát 1 Baèng caùch kích ñoùng caùc linh kieän trong moãi boä nghòch löu aùp moät pha, 3 möùc ñieän aùp (-U,0,U) ñöôïc taïo thaønh. Söï keát hôïp hoïat ñoäng cuûa n boä nghòch löu aùp treân moät nhaùnh pha taûi seõ taïo neân n khaû naêng möùc ñieän aùp theo chieàu aâm (-U,-2U,-3U, ,-nU), n khaû naêng möùc ñieän aùp theo chieàu döông (U,2U,3U, ,nU) vaø möùc ñieän aùp 0. Nhö vaäy, boä nghòch löu aùp daïng cascade goàm n boä nghòch löu aùp moät pha treân moãi nhaùnh seõ taïo thaønh boä nghòch löu (2n+1) baäc. Taàn soá ñoùng ngaét trong moãi modul cuûa daïng maïch naøy coù theå giaûm ñi n laàn vaø dv/dt cuõng giaûm ñi nhö vaäy. Ñieän aùp treân aùp ñaët leân caùc linh kieän giaûm ñi 0,57n laàn. Cho pheùp söû duïng linh kieän IGBT ñieän aùp thaáp. Ngoaøi daïng maïch goàm caùc boä nghòch löu aùp moät pha, maïch nghòch löu aùp ña baäc coøn coù daïng gheùp töø ngoõ ra cuûa caùc boä nghòch löu aùp 3 pha (H5.5c). Caáu truùc naøy cho pheùp giaûm dv/dt vaø vaø taàn soá ñoùng ngaét coøn 1/3. Maïch cho pheùp söû duïng caùc caáu hình nghòch löu aùp ba pha chuaån. Maïch nghòch löu ñaït ñöôïc söï caân baèng ñieän aùp caùc nguoàn dc, khoâng toàn taïi doøng caân baèng giöõa caùc module. Tuy nhieân, caáu taïo maïch ñoøi hoûi söû duïng caùc maùy bieán aùp ngoõ ra. Caáu hình nghòch löu chöùa caëp diode keïp: (Neutral point Clamped Multilevel Inverter (NPC) hoaëc- diode clamped multilevel inverter):-hình H5.5a, söû duïng thích hôïp khi caùc nguoàn dc taïo neân töø heä thoáng ñieän ac. Boä nghòch löu ña baäc chöùa caùc caëp diode keøm coù moät maïch nguoàn DC ñöôïc phaân chia thaønh moät soá caáp ñieän aùp nhoû hôn nhôø chuoãi caùc tuï ñieän maéc noái tieáp. Giaû söû nhaùnh maïch dc goàm n nguoàn coù ñoä lôùn baèng nhau maéc noái tieáp. Ñieän aùp pha – nguoàn dc coù theå ñaït ñöôïc (n+1) giaù trò khaùc nhau vaø töø ñoù boä nghòch löu ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp (n+1) baäc. Ví duï choïn möùc ñieän theá 0 ôû cuoái daõy nguoàn, caùc möùc ñieän aùp coù theå ñaït ñöôïc goàm (0,U,2U,.,nU). Ñieän aùp töø moät pha taûi (ví duï pha a) thoâng ñeán moät vò trí baát kyø treân maïch dc (ví duï M) nhôø caëp diode keïp taïi ñieåm ñoù (ví duï D1, D1’). Ñeå ñieän aùp pha- nguoàn dc ñaït ñöôïc möùc ñieän aùp neâu treân (ua0=U), taát caû caùc linh kieän bò “keïp” giöõa hai diode (D1, D1’) –goàm n linh kieän noái tieáp lieân tuïc keà nhau, phaûi ñöôïc kích ñoùng (ví duï S1, S5’,S4’,S3’,S2’), caùc linh kieän coøn laïi seõ bò khoùa theo qui taéc kích ñoái nghòch. Töông öùng vôùi 6 tröôøng hôïp kích ñoùng linh kieän “bò keïp” giöõa 6 caëp diode (hai caëp diode “keïp” ôû hai vò trí bieân laø tröôøng hôïp ñaëc bieät), ta thu ñöôïc 6 möùc ñieän aùp pha- nguoàn dc : 0,U,2U, ,5U. Vì coù 5-5
6. Ñieän töû coâng suaát 1 khaû naêng taïo ra 6 möùc ñieän aùp pha- nguoàn dc neân maïch nghòch löu treân hình H5.5a coøn goïi laø boä nghòch löu 6 baäc. Daïng maïch nghòch löu aùp ña baäc duøng caëp diode keïp caûi tieán daïng soùng ñieän aùp taûi vaø giaûm shock ñieän aùp treân linh kieän n laàn. Vôùi boä nghòch löu ba baäc, dv/dt treân linh kieän vaø taàn soá ñoùng ngaét giaûm ñi moät nöûa. Tuy nhieân vôùi n>3, möùc ñoä chòu gai aùp treân caùc diode seõ khaùc nhau. Ngoaøi ra, caân baèng ñieän aùp giöõa caùc nguoàn dc (aùp treân tuï) trôû neân khoù khaên, ñaëc bieät khi soá baäc lôùn. 5.2 PHAÂN TÍCH BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP 5.2.1. PHAÂN TÍCH ÑIEÄN AÙP BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP 3 PHA Giaû thieát taûi ba pha ñoái xöùng thoûa maõn heä thöùc: ut1 + ut2 + ut3 = 0 (5.1) Ta töôûng töôïng nguoàn aùp U ñöôïc phaân chia laøm hai nöûa baèng nhau vôùi ñieåm nuùt phaân theá O (moät caùch toång quaùt, ñieåm phaân theá 0 coù theå choïn ôû vò trí baát kyø treân maïch nguoàn DC). Goïi N laø ñieåm nuùt cuûa taûi ba pha daïng sao. Ñieän aùp pha taûi ut1,ut2,ut3. Ta coù: ut1= u10- uNO (5.2) ut2 = u20- uNO ut3 = u30-uNO Ñieän aùp u10, u20 , u30 ñöôïc goïi laø caùc ñieän aùp pha -taâm nguoàn cuûa caùc pha 1,2,3. Caùc ñieän aùp ut1, ut2, ut3; u10, u20, u30 vaø uNO coù chieàu döông qui öôùc veõ treân hình H5.4a Coäng caùc heä thöùc treân vaø ñeå yù raèng ut1+ut2+ut3=0, ta coù: 0 = u10 +u20 +u30 –3.uNO (5.3) uu++u Töø ñoù: u = 10 20 30 (5.4) NO 3 Thay uNO vaøo bieåu thöùc tính ñieän aùp moãi pha taûi, ta coù: 2u − u − u u = 10 20 30 t1 3 2u − u − u u = 20 30 10 (5.5) t 2 3 2u − u − u u = 30 10 20 t3 3 Ñieän aùp daây treân taûi: ut12 =u10 - u20 ut23 = u20 - u30 (5.6) ut31 = u30 -u10 * Heä quaû: Quaù trình ñieän aùp ( vaø do ñoù quaù trình doøng ñieän) ngoõ ra cuûa boä nghòch löu aùp ba pha seõ ñöôïc xaùc ñònh khi ta xaùc ñònh ñöôïc caùc ñieän aùp trung gian u10, u20, u30. * Xaùc ñònh ñieän aùp pha - taâm nguoàn cho boä nghòch löu aùp. Caëp coâng taéc cuøng pha: goàm hai coâng taéc cuøng maéc chung vaøo moät pha taûi, ví duï (S1S4), (S3,S6) vaø (S5,S2) laø caùc caëp coâng taéc cuøng pha. Qui taéc kích ñoùng ñoái nghòch: caëp coâng taéc cuøng pha ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch neáu nhö hai coâng taéc trong caëp luoân ôû traïng thaùi moät ñöôïc kích ñoùng vaø moät ñöôïc kích ngaét. Traïng thaùi caû hai cuøng kích ñoùng (traïng thaùi ngaén maïch ñieän aùp nguoàn ) hoaëc cuøng kích ngaét khoâng ñöôïc pheùp. 5-6
7. Ñieän töû coâng suaát 1 Neáu bieåu dieãn traïng thaùi ñöôïc kích cuûa linh kieän baèng giaù trò 1 vaø traïng thaùi khoùa kích baèng 0, ta coù theå vieát phöông trình traïng thaùi kích cuûa caùc linh kieän trong maïch nghòch löu aùp 3 pha nhö sau: S1 + S 4 = 1 ; S3 + S6 = 1 ; S5 + S 2 = 1 (5.7) * Qui taéc: Giaû thieát boä nghòch löu aùp ba pha coù caáu taïo maïch vaø chieàu ñieän theá cuûa caùc phaàn töû trong maïch cho nhö hình veõ H5.4. Giaû thieát caùc coâng taéc cuøng pha ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch vaø giaû thieát doøng ñieän cuûa caùc pha taûi coù khaû naêng ñoåi daáu. U Ñieän aùp pha taûi ñeán taâm nguoàn cuûa moät pha nguoàn naøo ñoù coù giaù trò + neáu coâng taéc leû cuûa 2 U pha ñöôïc kích ñoùng vaø - neáu coâng taéc chaün ñöôïc kích khoâng phuï thuoäc traïng thaùi doøng 2 ñieän. * Heä quaû: 1/- Ñieän aùp treân taûi ñöôïc xaùc ñònh hoaøn toaøn neáu ta bieát ñöôïc giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñieän aùp nguoàn. Do ñoù, ta coù theå ñieàu khieån ñieän aùp ngoõû ra cuûa boä nghòch löu aùp baèng caùch ñieàu khieån giaûn ñoà xung kích ñoùng caùc coâng taéc. 2/- Neáu caùc caëp coâng taéc cuøng pha khoâng ñöôïc kích ñoùng theo qui taéc ñoái nghòch, daïng ñieän aùp taûi seõ thay ñoåi phuï thuoäc vaøo traïng thaùi doøng ñieän taûi (vaø tham soá taûi ). Ñaây laø tröôøng hôïp kích ñoùng do yù muoán ñoái vôùi taûi daïng coäng höôûng. Doøng ñieän coù theå ôû traïng thaùi lieân tuïc hoaëc giaùn ñoaïn. Ta caàn chuù yù raèng, moät coâng taéc ñöôïc kích ñoùng khoâng coù nghóa laø noù seõ daãn ñieän. Phuï thuoäc vaøo chieàu doøng ñieän daãn qua taûi coù theå xaûy ra tröôøng hôïp coâng taéc kích ñoùng khoâng daãn ñieän maø doøng ñieän laïi daãn qua diode maéc ñoái song vôùi coâng taéc ñöôïc kích ñoùng. 3/- Daïng doøng ñieän ñöôïc xaùc ñònh döïa treân phöông trình maïch taûi. Ví duï ñoái vôùi taûi ñoái xöùng ba pha goàm RL maéc noái tieáp, ta coù phöông trình doøng ñieän ba pha taûi it1, it2, it3. di u = R.i + L t1 t1 t1 dt di u = R.i + L t 2 (5.8) t 2 t 2 dt di u = R.i + L t3 t3 t3 dt Thôøi gian cheát (dead- time): laø khoûang thôøi gian caàn thieát aùp ñaët trong giaûn ñoà ñoùng ngaét caëp linh kieän cuøng pha taûi, trong khoaûng thôøi gian naøy hai coâng taéc cuøng pha taûi seõ bò khoùa kích (ví duï S1,S4). Thôøi gian cheát baét ñaàu quaù trình chuyeån maïch cuûa hai coâng taéc cuøng pha taûi ñeå traùnh xaûy ra hieän töôïng ngaén maïch nguoàn. Do thôøi gian cheát nhoû khoâng ñaùng keå, trong quaù trình phaân tích hoaït ñoäng maïch, ta thöôøng giaû thieát boû qua giai ñoaïn naøy. 5.2.1 PHAÂN TÍCH BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP MOÄT PHA Ta coù theå phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu töông töï nhö boä nghòch löu aùp ba pha. Hai caëp coâng taéc (S1,S4) vaø (S2,S3) töông öùng vôùi heä thoáng hai pha taûi ñoái xöùng töôûng töôïng (hình H5.6). ut u10 − u 20 ut1 = = 2 2 (5.9) u u − u u = − t = 20 10 t 2 2 2 5-7
8. Ñieän töû coâng suaát 1 Roõ raøng : ut =ut1/2=-ut2/2=u10 - u20 (5.10) Neáu caùc coâng taéc ñöôïc kích theo qui taéc ñoái nghòch, ta coù theå xaùc ñònh daïng aùp treân taûi döïa treân giaûn ñoà kích coâng taéc vaø ñieän aùp nguoàn. U u10 = + neáu kích S1 ngaét S4 2 U u10= − neáu kích S4, ngaét S1 2 U u20 = + neáu kích S3, ngaét S2 (5.11) 2 U = - neáu kích S2, ngaét S3 2 Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng nöûa caàu: ñieän aùp baèng vôùi ñieän aùp pha taûi - taâm nguoàn, baøi toaùn trôû neân ñôn giaûn. Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng caàu: Quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän ñöôïc veõ treân hình (H5.8) Xeùt quaù trình caùc ñaïi löôïng trong moät chu kyø hoaït ñoäng ôû cheá ñoä xaùc laäp. Giaû thieát raèng taïi thôøi ñieåm t=0, thöïc hieän ñoùng S1 vaø S2, ngaét S3 vaø S4. Ñieän aùp taûi baèng U, doøng ñieän taûi chaïy qua maïch (U-S1-S2) taêng leân theo phöông trình: 0 ≤ t < T / 2 ut = U (5.12) di U = R.i + L t t t dt Nghieäm doøng ñieän coù daïng: t U − i = + A.e τ (5.13) t R A laø haèng soá, τ =L/R laø haèng soá thôøi gian. Taïi thôøi ñieåm t=T/2, thöïc hieän ngaét S1,S2 vaø ñoùng S3,S4. Ñieän aùp xuaát hieän treân taûi baèng –U, doøng ñieän qua maïch (U,RL,S3,S4) giaûm theo phöông trình: T / 2 ≤ t < T ut = −U (5.14) di U = R.i + L t t t dt t −T U − 2 vôùi nghieäm coù daïng: i = − + B.e τ (5.15) t R ÔÛ traïng thaùi xaùc laäp, doøng ñieän bieán ñoåi theo daïng xoay chieàu, tuaàn hoaøn. Caùc haèng soá A,B coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän doøng ñieän taûi taïi caùc thôøi ñieåm t=0, t=T/2 vaø t=T. 5-8
9. Ñieän töû coâng suaát 1 Luùc ñoù, taïi thôøi ñieåm t=0: U U + A.e0 = I ⇒ A = I − (5.16) R min min R Taïi thôøi ñieåm t=T/2: T T − − U 2τ U ⎛ U ⎞ 2τ + A.e = Imax ⇒ + ⎜ Imin − ⎟.e = Imax (5.17) R R ⎝ R ⎠ U U − + B.e0 = I ⇒ B = + I (5.18) R max R max Taïi thôøi ñieåm t=T: T U − 2 − + B.e τ = I (5.19) R min Nhö vaäy, quaù trình doøng taûi trong moät chu kyø hoaït ñoäng seõ coù theå bieåu dieãn nhö sau: t ⎧ − U ⎛ U ⎞ 2τ T ⎪ + ⎜ Imin − ⎟.e 0 ≤ t < ⎪ R ⎝ R ⎠ 2 it = ⎨ t −T (5.20) 2 ⎪ U ⎛ U ⎞ − − + I + .e 2τ T ≤ t < T ⎪ ⎜ max ⎟ 2 ⎩ R ⎝ R ⎠ Giaù trò Imin vaø Imax coù theå xaùc ñònh töø quaù trình ñoái xöùng cuûa hai nöûa chu kyø ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi, töø ñoù suy ra raèng Imax=-Imin. Aùp duïng quan heä treân vaøo caùc heä thöùc tính I, ta thu ñöôïc: T ⎡ − ⎤ U ⎢1 − e 2τ ⎥ I = −I = max min ⎢ T ⎥ (5.21) R ⎢ − ⎥ ⎣1 + e 2τ ⎦ Coâng suaát taûi: 2 Coâng suaát tieâu thuï treân taûi R-L coù theå xaùc ñònh theo heä thöùc R.It vôùi It laø trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi ñöôïc tính theo bieåu thöùc: T 2 T 2 t ⎡ − ⎤ 1 2 2 U ⎛ U ⎞ τ It = it (t).dt = ⎢ + ⎜ Imin − ⎟.e ⎥ .dt (5.22) T ∫ T ∫ ⎢ R ⎝ R ⎠ ⎥ 0 0 ⎣ ⎦ 5-9
10. Ñieän töû coâng suaát 1 Coâng suaát taûi coù theå xaùc ñònh theo trò trung bình doøng qua nguoàn dc Is neáu ta boû qua toån hao cuûa linh kieän boä nghòch löu: P=U.Is T 2 t ⎡ − ⎤ 1 U ⎛ U ⎞ τ Is = ⎢ + ⎜ Imin − ⎟.e ⎥.dt (5.23) T ∫ ⎢ R ⎝ R ⎠ ⎥ 0 ⎣ ⎦ Phaân tích soùng haøi: Quaù trình ñieän aùp taûi qua pheùp phaân tích Fourier coù daïng: ∞ 4.U vt (t) = ∑ .sin(n.ω.t) (5.24) n=1,3,5 nπ Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc leû. Ñoä meùo daïng ñieän aùp ñöôïc tính theo heä thöùc sau: ∞ 2 ∑Ut( n) 2 2 n=2 Ut − Ut(1) THDU = = (5.25) Ut(1) Ut(1) Deã daøng suy ra raèng: 2 ⎛ 4 ⎞ 2 ⎜ ⎟ 2 2 U − ⎜ U ⎟ Ut − Ut(1) ⎝ π 2 ⎠ THD == = = 0,483 = 48,3% ; U =U (5.26) U 4 t Ut(1) U π 2 Ñoä meùo daïng ñieän aùp cuûa boä nghòch löu caàu 1 pha khaù lôùn trong tröôøng hôïp aùp ra daïng vuoâng neân coù taùc duïng khoâng toát. Ñieàu naøy giaûi thích vì sao loaïi ñieän aùp naøy khoâng ñöôïc söû duïng phoå bieán trong thöïc tieãn. Ñoä meùo daïng doøng ñieän phuï thuoäc vaøo taûi vaø xaùc ñònh theo heä thöùc: ∞ 2 ∑It( n) 2 2 n=2 It − It(1) THDI = = (5.27) It(1) It(1) 5.2.2 PHAÂN TÍCH ÑIEÄN AÙP BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC Xeùt boä nghòch löu aùp 6 baäc daïng chöùa caëp diode keïp (NPC) treân hình veõ H5.5a. Goïi U laø ñoä lôùn ñieän aùp treân moãi tuï rieâng leû. Phuï thuoäc ñoä lôùn ñieän aùp pha – nguoàn dc caàn thieát laäp, caùc linh kieän bò keïp giöõa caëp diode noái ñeán moät ñieän theá treân maïch dc caàn thieát laäp seõ ôû traïng thaùi kích. Ñieän aùp pha-taâm nguoàn dc (phase -to- pole voltage), tính töø ñieåm ñaáu daây cuûa pha taûi ñeán moät ñieän theá treân maïch dc, trong tröôøng hôïp treân hình veõ laø ñieåm 0, coù theå ñaït caùc giaù trò cho trong baûng B5.1 sau ñaây: Baûng B5.1 Vout=Vx0 Sx5 Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 S’x5 S’x4 S’x3 S’x2 S’x1 Vx0=5U 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 Vx0=4U 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Vx0=3U 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Vx0=2U 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Vx0=U 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Vx0=0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Vôùi x=1,2,3. 5-10
11. Ñieän töû coâng suaát 1 Traïng thaùi ñoùng ngaét cuûa caùc khoùa baùn daãn treân moät nhaùnh taûi cuûa caùc pha a,b,c thoûa maõn ñieàu kieän kích ñoái nghòch: S1j+S’1j=1 ; S2j+S’2j=1 ; S3j+S’3j=1 ; j=1,2,3,4,5 (5.28) Ñieän aùp pha taûi trong tröôøng hôïp 3 pha taûi ñoái xöùng ñaáu daïng Y coù theå thieát laäp töông töï nhö tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp hai baäc: 2u − u − u 2u − u − u 2u − u − u u = 10 20 30 ; u = 20 30 10 ; u = 30 10 20 (5.29) t1 3 t 2 3 t3 3 Trong tröôøng hôïp 3 pha taûi daïng tam giaùc, ñieän aùp pha taûi baèng ñieän aùp daây do boä nghòch löu cung caáp: ut12 =u10 - u20; ut23 = u20 - u30; ut31 = u30 - u10 (5.30) 5-11