Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 7)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần (Phần 7)

1. Điện tử công suất 1 5.5 - BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG Bộ nghịch lưu có nguồn một chiều là nguồn dòng điện. Bộ nghịch lưu dòng được sử dụng trong lãnh vực truyền động động cơ điện xoay chiều, và cho là cảm ứng. Tương tự như bộ nghịch lưu áp, ta phân biệt bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch tự nhiên ( phụ thuộc ). Bộ nghịch lưu dòng có quá trình chuyển mạch cưỡng bức được áp dụng cho tải tổng quát. Trong trường hợp tải mang tính dung kháng, bộ nghịch lưu có thể sử dụng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc và sử dụng linh kiện bán dẫn như thyristor . 5.5.1 BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG MỘT PHA Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu dòng một pha (hình 5.44a) Trong trường hợp tải tổng quát (R,RL,RL ξ ), linh kiện phải có khả năng điều khiển ngắt dòng điện. Có thể sử dụng IGBT mắc nối tiếp với diode cao áp hoặc sử dụng linh kiện công suất GTO. Giả sử dòng đang dẫn qua S1D1S2D2 và tải, dòng điện tải it = I. Để đảo chiều dòng điện tải, xung kích đóng đưa vào S1S2 và và kích ngắt S3S4. Dòng qua tải giảm nhanh về 0 và đảo chiều it = - I Do tải mang tính cảm kháng, sự đảo chiều nhanh của dòng điện gây ra quá điện áp đăt lên các công tắc. Nếu tải có độ tự cảm L nhỏ, mạch mắc nối tiếp công tắc với diode chịu được điện áp cao; nếu tải có L lớn, cần phải thay đổi cấu hình bộ nghịch lưu dòng. Chẳng hạn mắc tụ song song với tải (hình H5.44b) hoặc dùng mạch tích năng lượng (H5.44c). Tác dụng của các mạch phụ nầy làm dòng tải trong quá trình đổi dấu không thay đổi đột ngột và do đó không gây ra áp quá áp phản kháng. Cấu trúc dùng tụ xoay chiều mắc rẻ nhánh với tải có thể làm xuất hiện dao động dòng điện và điện áp do tương tác của tụ điện với cảm kháng của tải. Tụ điện được tính tóan sao cho biên độ thành phần cơ bản dòng điện dẫn qua tụ có giá trị không lớn và độ dao động điện áp do các sóng hài bậc cao trên tải nằm trong phạm vi cho phép. 5-59
2. Điện tử công suất 1 Cấu trúc dùng mạch tích năng lượng có khả năng khắc phục nhược điểm trên. Tuy nhiên, hệ thống mạch công suất trở nên phức tạp hơn do sự sử dụng mạch chỉnh lưu cầu diode và phía mạch dc của nó phải có phần tử có khả năng dự trữ năng lượng. Mỗi lần dòng điện tải đổi chiều, mạch dc được nạp năng lượng bởi dòng tải. Phần tử tích điện có thể là tụ điện, để điện áp tụ không tăng, ta cần thực hiện điều khiển xả năng lượng tụ hoặc điều khiển năng lượng tụ trả về lưới điện xoay chiều qua mạch bán dẫn công suất (ví dụ điều khiển bộ chỉnh lưu ở chế độ nghịch lưu). Mặc khác, tác dụng mạch tích năng lượng làm dòng điện thực tế qua tải bị lệch pha so với dòng điện lý tưởng yêu cầu (so sánh quá trình dòng ia và it1). 5.5.2 BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG BA PHA Bộ nghịch lưu dòng ba pha có cấu trúc cho trên hình vẽ (H5.47,H5.48,H5.49, H5.50) Tương tự như trường hợp bộ nghịch lưu dòng một pha, cấu tạo của các bộ nghịch lưu dòng ba pha có thể gồm các dạng: mạch chứa diode cao áp bảo vệ, mạch chứa tụ chuyển mạch và mạch chứa tụ tích năng lượng. Khi tải có công suất lớn, có thể sử dụng bộ nghịch lưu dòng với linh kiện thyristor và mạch tắt cưỡng bức (xem hình H5.48). Các ưu nhược điểm của các cấu trúc mạch này đã được nêu trong phần bộ nghịch lưu dòng một pha. Đồ thị quá trình điện áp và dòng điện các phần tử mạch cũng được minh họa trên hình vẽ cạnh sơ đồ tương ứng. Đối với bộ nghịch lưu dòng điện ba pha. Tại mỗi thời điểm cóù một công tắc ở nhánh trên dẫn và một công tắc ở nhánh dưới dẫn. Mỗi công tắt dẫn điện trong thời gian 1/3 chu kỳ. Bỏ qua thời gian chuyển mạch giữa các nhánh, đồ thị dòng điện qua tải được vẽ trên hình H5.51 cho trường hợp điều khiển 6 bước. Dòng điện qua tải có dạng không sin. 5-60
3. Điện tử công suất 1 5.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG Giả thiết rằng giá trị trạng thái van bán dẫn khi đóng bằng “1” và khi ngắt bằng “0” . Qui luật điều khiển của bộ nghịch lưu dòng là phải đảm bảo điều kiện kích đóng duy nhất (Qui luật kích duy nhất trong nhóm) S1 + S3 + S5 = 1 và S2 + S4 + S6 = 1 (5.119) Điều này có nghĩa, tại mỗi thời điểm chỉ có một van ở nhóm trên và một van ở nhóm dưới được kích đóng. 5.6.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO BIÊN ĐỘ 5-61
4. Điện tử công suất 1 Đây là phương pháp điều khiển chủ yếu áp dụng cho bộ nghịch lưu dòng. Độ lớn dòng điện tải được điều khiển bằng cách điều khiển nguồn dòng điện. Chẳng hạn điều khiển góc kích α của bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc điều khiển tỉ số thời gian γ khi có nguồn dc điều khiển bằng bộ biến đổi điện áp một chiều. Giản đồ xung kích được vẽ trên hình H5.51a Tần số dòng điện tải được điều khiển bởi giản đồ kích cho bộ nghịch lưu dòng. Góc kích 2π đóng cho mỗi công tắc trong bộ nghịch lưu dòng điện như nhau và bằng với m là số pha của bộ m nghịch lưu. Ví dụ, đối với bộ nghịch lưu dòng ba pha, xung kích đóng cho các công tắc nhóm trên lần lượt thực hiện gửi đến các linh kiện S1,S3 và S5 với độ rộng bằng 2 π / 3 . Tương tự cho các linh kiện nhóm dưới. Bộ nghịch lưu dòng ba pha với phương pháp điều biên được gọi là bộ nghịch lưu dòng điều khiển 6 bước. (Six step current Inverter). Bằng cách dùng phân tích Fourier dạng dòng điện qua pha tải- ví dụ it1 (đấu dạng Y ), ta thu được hệ thức sau –xem đồ thị dòng pha it1- hình H5.51: 2 3 ⎡ π 1 π 1 π ⎤ It1(t) = I.⎢sin(ωt + ) + sin(5ωt − ) + sin(7ωt + ) + ⎥ (5.120) π ⎣ 6 5 6 7 6 ⎦ Với n=1, trị biên độ thành phần hài cơ bản dòng điện pha tải: 2 3 I = I (5.121) t1(1)m π Trị hiệu dụng dòng điện tải: 2π 3 1 2 I = I 2.dx = .I (5.122) t π ∫ 3 0 Các thành phần sóng hài của dòng điện tải có biên độ tương đối cao. Do đó ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của tải. Dạng sóng dòng điện có thể cải tiến thuận lợi hơn bằng cách kéo dài thời gian chuyển mạch giữa các công tắc dẫn điện, chẳng hạn nhờ mạch tích năng lượng hoặc bộ chuyển mạch. 5-62
5. Điện tử công suất 1 5.6.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG Quá trình chuyển mạch giữa các nhánh công tắc trong bộ nghịch lưu dòng tạo nên các xung gai quá điện áp tác dụng không tốt đến hoạt động các phần tử trong mạch điện. Độ lớn các gai điện áp có thể giảm bớt bằng cách kéo dài thời gian chuyển mạch. Thông thường chức năng nầy thực hiện nhờ tụ điện chứa trong mạch. Để các xung gai quá điện áp giảm càng nhiều, tụ càng lớn và thời gian chuyển mạch càng kéo dài. Do đó, tần số đóng ngắt của các công tắc không thể cao được. Phương pháp đòi hỏi độ lớn dòng điện dc phải điều khiển được như phương pháp điều biên và thực hiện điều rộng xung trên mạch nghịch lưu dòng để cải tiến dạng sóng dòng điện ở ngõ ra nhất là ở dãy tần số làm việc thấp. 5-63
6. Điện tử công suất 1 Phương pháp điều chế độ rộng xung của bộ nghịch lưu dòng ba pha cho dạng dòng điện ra một phần trùng với dạng cho bởi phương pháp 6 bước. Tại một số vị trí, dòng điện qua pha tải sẽ có độ lớn bằng 0 thay vì ±I và ±I thay vì 0 tại một số vị trí khác. Xét dòng điện it1 qua pha 1 chẳng hạn khi S2 dẫn, bằng cách lần lượt đóng ngắt liên tục S1 và S3 , ta có độ lớn dòng tải it1 – xem hình H5.53: it1 = I khi S1 đóng, S3 ngắt; it1 = 0 khi S3 đóng , S1 ngắt . Để đạt được sóng dòng điện ba pha đối xứng, dạng dòng điện được điều chế của mỗi pha π phải chứa xung trung tâm rộng tối thiểu bằng . Khi hai pha đang được điều chế xung, pha thứ ba 3 không được thay đổi trạng thái dẫn điện. Gọi n là số lần thay đổi trạng thái dòng điện pha tải trong 1/4 chu kỳ dòng tải, nếu chọn vị trí kích thích hợp các công tắc, ta có thể khử bỏ (n-1) sóng hài của dòng tải, đồng thời điều khiển biên độ sóng hài cơ bản theo giá trị cho trước. Với cấu hình mạch chứa tụ để hạn chế quá điện áp chuyển mạch (xem hình H5.48), quá trình dòng điện qua một pha tải (it1) và dòng qua tụ điện (ic1) được vẽ minh họa trên hình H5.54. Dòng điện qua tải gần như cùng pha với dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu (ia) và thành phần sóng hài dòng điện qua nó được hạn chế. 5.6.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN Vector không gian của dòng điện bộ nghịch lưu dòng ba pha: Phương pháp điều chế vector không gian đối với bộ nghịch lưu dòng cũng có tính tương tự như trường hợp phương pháp điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp, tạo điều kiện thiết lập quan hệ tối ưu giữa các dòng điện pha khi thực hiện điều khiển một vector dòng điện duy nhất. 5-64
7. Điện tử công suất 1 Trước hết, áp dụng định nghĩa vector không gian theo hệ thức (5.70) cho các dòng điện ba pha trên hình H5.51, ta có thể xác định quỹ đạo vector không gian trong trường hợp điều khiển 6 bước và thiết lập các giá trị điền vào bảng B5.7 sau: Bảng B5.7: it1 I I 0 -I -I 0 0 0 0 it2 -I 0 I I 0 -I 0 0 0 it3 0 -I -I 0 I I 0 0 0 S1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 S3 0 0 1 1 0 0 0 1 0 S5 0 0 0 0 1 1 0 0 1 S2 0 1 1 0 0 0 0 0 1 S4 0 0 0 1 1 0 1 0 0 S6 1 0 0 0 0 1 0 1 0 r 2I − j π 2I j π 2I j π 2I j 5 π 2I j7 π 2I j 3 π 0 0 0 i .e 6 .e 6 .e 2 .e 6 .e 6 .e 2 3 3 3 3 3 3 r r r r r r 0 0 0 i6 i1 i2 i3 i4 i5 Quỹ đạo vector không gian của vector dòng điện tải ba pha lần lượt dịch chuyển nhảy cấp giữa 6 vị trí vector đỉnh của hình lục giác. Khi dịch chuyển đến vị trí mỗi vector đỉnh, vector dòng điện sẽ lưu tại vị trí đó trong thời gian 1/6 chu kỳ dòng điện tải trước khi dịch chuyển đột ngột đến vị trí vector đỉnh tiếp theo. Biên độ vector dòng điện tại các đỉnh hình lục giác có giá trị 2I . 3 Kỹ thuật điều chế vector không gian dòng điện: Đối với phương pháp điều khiển độ rộng xung bộ nghịch lưu dòng, vector dòng điện hình thành gồm 6 vector đỉnh hình lục giác vừa nêu và 3 vector dòng điện bằng không (vector không). Các vector không tạo thành khi linh kiện nhóm trên và nhóm dưới của cùng một pha tải ở trạng thái dẫn điện. r r Ví dụ trong phạm vi góc phần 6 thứ nhất của lục giác giới hạn bởi hai vector dòng (i6 ,i1 ), để r điều khiển vector dòng trung bình (tương đương) I di chuyển theo quỹ đạo đường tròn, cần thực hiện r r quá trình điều khiển lần lượt các vector i6 trong thời gian T1 và i1 trong thời gian T2 và thời gian còn v lại (Ts-T1-T2) là để thực hiện vector không i0 . r T1 r T2 r T0 r I = .i6 + .i1 + .i0 (5.123) TS TS TS I π 3 π T = .sin( − γ).T = .sin( − γ).T (5.124) 1 2I 3 s 2 3 s 3 I 3 T = .sin γ.T = .sin γ.T 2 2I s 2 s 3 5-65
8. Điện tử công suất 1 T0=TS-T1-T2 r Với γ là góc hợp bởi vector dòng điện I tại thời điểm đang xét với vector cơ bản thứ nhất. r r r Ví dụ nếu vector i nằm trong góc phần sáu hợp bởi vector i1 và i6 , góc γ sẽ tạo thành bởi hai r r vector i6 và i . r Xét trong khỏang góc phần sáu hình lục giác bị giới hạn bởi hai vector dòng điện cơ bản I6 r và I1 . Giả sử ta thực hiện điều khiển vector dòng điện để vector trung bình di chuyển trên quỹ đạo đường tròn đạt vị trí các điểm 1,2,3,4 và 5 như trên hình vẽ H5.55b. Trong chu kỳ lấy mẫu TS, điều r này có thể thực hiện nhờ thực hiện quá trình kích đóng S6,S1 để đạt vector I6 (kích đóng) trong thời r r gian T1 và kích đóng S1,S2 để đạt vector I1 trong thời gian T2 và kích đóng S1,S4 để đạt vector I0 trong thời gian T0 –xem hình H5.55c. Các thời gian T1,T2 và T0 được xác định từ vị trí vector dòng điện trung bình yêu cầu. Tồn tại điểm khác biệt của điều chế vector trung bình trong bộ nghịch lưu dòng điện so với trường hợp điều khiển vector trung bình của bộ nghịch lưu áp. Trong bộ nghịch lưu áp, độ lớn các vector đỉnh hình lục giác không thay đổi khi biên độ áp tải thay đổi và phải sử dụng điều khiển thời r gian tác động vector không v0 để thiết lập modul và pha của vector điện áp trung bình. Trong nghịch lưu dòng các vector đỉnh hình lục giác có độ lớn thay đổi tùy theo dòng điện qua mạch dc và độ lớn vector dòng điện được điều khiển bằng cách điều khiển thay đổi dòng nguồn I mạch dc (ví dụ bằng bộ chỉnh lưu). Do đó, trật tự và thời gian tác động các vector đỉnh cơ bản dòng điện chỉ nhằm điều khiển pha của vector trung bình. Với một giá trị dòng điện I cho trước, phương pháp điều chế vector 5-66
9. Điện tử công suất 1 dòng điện sẽ thiết lập vector dòng điện di chuyển trên đường tròn nội tiếp với bán kính I và đó cũng chính là biên độ thành phần hài cơ bản dòng điện tải. Như vậy, khi thay đổi điều chỉnh dòng điện qua bộ nghịch lưu trong phạm vi (0, Imax), điều chế vector dòng điện sẽ tạo nên dòng điện qua pha tải với biên độ sóng hài cơ bản thay đổi trong phạm vi (0, Imax). Nếu sử dụng định nghĩa chỉ số điều chế vector dòng điện tương tự như đối với bộ nghịch lưu áp, ta thấy trong trường hợp bộ nghịch lưu dòng, phương pháp điều chế vector đạt được chỉ số điều chế dòng cực đại bằng: Imax π mI _ max = = = 0,907 (5.125) 2 3 2 3 I π max 2 3 Với I là biên độ thành phần cơ bản dòng điện tải đạt được từ phương pháp điều π max khiển sáu bước. Khả năng điều chế mở rộng (overmodulation) có thể thực hiện trên kỹ thuật tương tự đã sử dụng đối với bộ nghịch lưu áp. Ví dụ 5.12: Cho bộ nghịch lưu dòng ba pha. Dòng nguồn dc bằng 100A. Xác định trị hiệu dụng dòng điện qua linh kiện và dòng qua tải. Giải: 100 Trị hiệu dụng dòng qua linh kiện: IVRMS = = 54,74A 3 2 Trị hiệu dụng dòng qua tải: I = .100 = 81,65A tRMS 3 Ví dụ 5.13: Bộ biến tần dòng ba pha gồm bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn mắc nối tiếp, cuộn kháng nắn dòng với độ từ cảm rất lớn làm dòng qua nó phẳng và bộ nghịch lưu dòng ba pha. Tải ba pha đối xứng, mỗi pha tải gồm R = 1Ω, L = 0,01H. Cho biết nguồn xoay chiều ba pha có áp pha hiệu dụng Uf = 220V, ω = 314[rad/s]. Bộ biến tần dòng được điều khiển theo phương pháp 6 bước ( six-step methode) Cho dòng điện qua cuộn kháng lọc i = I = 100A a. Tính trị hiệu dụng dòng tải ; b. Tình trị hiệu dụng hài cơ bản và hài bậc 3,5 của dòng tải; c. Tính góc điều khiển của bộ chỉnh lưu . Giải: a. Trị hiệu dụng dòng qua tải : 1 1 2 π 2 2 π 2 ⎛ ⎞ ⎛ 1 2 ⎞ ⎜1 3 2 ⎟ 2 2 It = ⎜ i t1 .dx ⎟ = I dx = I = 100 = 81,6[ A] 2π ∫0 ⎜ π ∫0 ⎟ 3 3 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ b. Trị hiệu dụng sóng hài bậc k của dòng tải : AK It(K ) = với 2 5-67
10. Điện tử công suất 1 5 π 2 π 1 2 6 AK = i t .sin()K.x dx = π I.sin(K.x )dx π ∫0 π ∫ 6 2.I ⎛ π 5π ⎞ 4.I ⎛ π ⎞ ⎛ π ⎞ AK = .⎜cos K. − cos K. ⎟ = .sin⎜K. ⎟.sin⎜K. ⎟ π.K ⎝ 6 6 ⎠ K.π ⎝ 2 ⎠ ⎝ 3 ⎠ Rõ ràng khi k chẵn hoặc k là bội số của 3 thì AK = 0. Từ đó: 4.100 ⎛ π ⎞ ⎛ π ⎞ It(1) = .sin⎜1. ⎟.sin⎜1. ⎟ = 77 ,96[ A] 2 .π.1 ⎝ 2 ⎠ ⎝ 3 ⎠ It( 3 ) = 0 4.100 ⎛ π ⎞ ⎛ π ⎞ It(1) = .sin⎜5. ⎟.sin⎜5. ⎟ = −15,59[ A] 2 .π.5 ⎝ 2 ⎠ ⎝ 3 ⎠ c. Điện áp trung bình ở đầu vào của bộ nghịch lưu dòng : U = 2.R.I = 2.1.100 = 200[V] Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha: 3 6 U = .U .cos α π f Từ đó: π.U π.200 cos α = = = 0,3886 3 6 .Uf 3 6 .220 ⇒ α = 1,1716[rad ] 5-68