Giáo trình Điện tử công suất - Chương V: Bộ chỉnh lưu

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Chương V: Bộ chỉnh lưu

1. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH CHƯƠNG V. BỘ NGHỊCH LƯU I. GIỚI THIỆU: 1. Chức năng và ứng dụng: Có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều Ứng dụng: - Bộ biến tần ( truyền động động cơ điện xoay chiều ) - Lò cảm ứng trung tần , hàn trung tần - Nguồn xoay chiều trong gia đình , nguồn lưu điện (UPS), chiếu sáng (đèn huỳnh quang cao tần) - Bù nhuyễn công suất phản kháng - Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) 2. Phân loại: a. Theo tham số điều khiển ngõ ra : - Bộ nghịch lưu áp : điều khiển áp ra - Bộ nghịch lưu dòng: điều khiển dòng ra b. Theo tính chất nguồn : - Bộ nghịch lưu áp nguồn áp - Bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng - Bộ nghịch lưu dòng nguồn áp - Bộ nghịch lưu áp nguồn dòng c. Theo quá trình chuyển mạch : - Bộ nghịch lưu với: + QTCM cưỡng bức : linh kiện có khả năng kích đóng và ngắt (MOSFET, BJT, IGBT, GTO) + QTCM phụ thuộc : linh kiện chỉ kích đóng, quá trình ngắt phụ thuộc áp nguồn hoặc tải (Thyristor) 3. Các mức áp cổng ra tiêu chuẩn: 1 pha 120V / 60 Hz 220V/50Hz 115V/400 Hz 3 pha 120/208/60 Hz 220/380/50Hz 115/200/400 Hz II. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP: 1. Cấu tạo cơ bản: - Nguồn điện áp 1 chiều : có thể là acquy ( bình ) , pin điện hoặc từ nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng - Linh kiện bộ nghịch lưu : có khả năng kích đóng và kích ngắt nếu quá trình chuyển mạch là cưỡng bức, hoặc Thyristor nếu quá trình chuyển mạch là phụ thuộc : + Công suất nhỏ và vừa : sử dụng các khoá BJT , MOSFET, IGBT + Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) hoặc Thyristor thường nếu quá trình chuyển mạch phụ thuộc. - Diode mắc đối song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt các công tắc (chức năng bảo vệ linh kiện). 85
2. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH - Điện áp ra có thể giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số giữ cố định hoặc thay đổi được. - Điện áp ra được điều khiển bởi việc điều chỉnh giá trị điện áp nguồn DC nếu giữ độ lợi (gain) bộ nghịch lưu không đổi. Nếu nguồn DC có trị số cố định không đổi thì điện áp ra thay đổi bằng cách thay đổi độ lợi của bộ nghịch lưu ( ví dụ bằng phương pháp điều biến độ rộng xung ) . Độ lợi được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp ra AC và điện áp vào DC. - Điện áp ở ngõ ra của một bộ nghịch lưu lý tưởng phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng của các bộ nghịch lưu trên thực tế là không có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu là các khoá làm việc ở chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc cao. Các sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới dạng lan truyền trong cáp dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây các ảnh hưởng không tốt đến tải, nguồn và mạng viễn thông. Vì vậy các biện pháp sử dụng để chống nhiễu là cần thiết : ví dụ các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử dụng cáp bọc - Với sự ứng dụng các linh kiện điện tử công suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc cao của áp ra có thể bị loại bỏ hoặc giảm bớt đáng kể bằng kỹ thuật đóng ngắt. Các thuật toán PWM tối ưu được đề xuất phần lớn đều xét đến khía cạnh sóng hài. 2. Bộ nghịch lưu áp 1 pha bán cầu: 2.1. Sơ đồ: H5.1 2.2. Giản đồ : Aùp và dòng tải RL H5.2 2.3. Hệ quả : o Tải R: Trị hiệu dụng áp tải : 86
3. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 2 1 π ⎛U ⎞ U U = d dωt = d = 0.5U z ∫⎜ ⎟ d π 0 ⎝ 2 ⎠ 2 Trị tức thời áp tải có thể phân tích theo Fourier: ∞ 2U d u z = ∑ sin nωt n=1,3,5, nπ Trị hiệu dụng hài cơ bản áp tải : n =1 ⇒ 2U d U z1 = = 0.45U d 2π Hệ số méo dạng toàn phần THD : ∞ U 2 ∑ n 2 2 n=2,3 U −U THD = ⋅100% = z z1 ⋅100% U1 U z1 u Phương trình tức thời dòng tải : i = z z R o Tải L: Do cuộn cảm kháng có khả năng tích và giải phóng năng lượng nên các khoảng dẫn của các linh kiện được phân tích như sau : Ở thời điểm π , S1 ngắt, cuộn cảm giải phóng năng lượng để duy trì dòng, dòng đi qua D2 , tải, nguồn dưới đến khi dòng giảm về 0. Vì vậy dù S2 được kích đóng dòng vẫn không đi qua nó mà đi qua D2 . Sau thời điểm dòng về 0, do S2 vẫn còn được kích dòng đảo chiều đi qua S2 . Tương tự khi S2 bị kích ngắt, dòng do cuộn cảm duy trì liên tục đi qua D1, tải và nguồn lên đến khi dòng giảm về 0 , dòng đảo chiều qua S1 dẫn. Khoảng dẫn của linh kiện được trình bày trên hình. Khi dòng đi qua S1 hoặc D1, điện áp trên tải bằng Ud/2 Khi dòng đi qua S2 hoặc D2, điện áp trên tải bằng -Ud/2 o Tải RL: Các khoảng dẫn của các linh kiện được phân tích tương tự, dòng tải có dạng hàm mũ. 3. Bộ nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu 3.1. Sơ đồ: 87
4. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.3 3.2. Giản đồ: H5.4. Trạng thái áp và dòng cho tải RL 3.3. Phân tích : o Tải R: Trị hiệu dụng áp tải : 1 π U = U 2 dωt = U z ∫ d d π 0 Trị tức thời áp tải có thể phân tích theo Fourier: ∞ 4U d u z = ∑ sin nωt n=1,3,5, nπ Trị hiệu dụng hài cơ bản áp tải : 4U d n =1 ⇒ U z1 = = 0.9U d 2π 88
5. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 4. Bộ nghịch lưu áp 3 pha: 4.1. Sơ đồ mạch: Q1 Q3 Q5 D3 Ud Q4 Q6 Q2 Ra Rb Rc La Lb Lc H5.5 4.2. Phân tích điện áp ngõ ra: Tải 3 pha đối xứng thỏa mãn hệ thức: uz1 + uz2 + uz3 = 0 Chia nguồn áp U chia làm 2 nguồn U/2. Thiết lập các phương trình : uz1 = u10 - uN0 uz2 = u20 - uN0 uz3 = u30 - uN0 Cộng các phương trình trên với nhau và chú ý kết quả vế trái sẽ có giá trị 0. u + u + u u = 10 20 30 N 0 3 Thay giá trị này vào ngược trở lại các phương trình trên : 2u − u − u u = 10 20 30 z1 3 2u − u − u u = 20 10 30 z2 3 2u − u − u u = 30 10 20 z3 3 Với : u10, u20, u30 - điện áp pha tâm nguồn u12, u23, u31 - điện áp dây tải u12 = u10 - u20 89
6. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH u23 = u20 – u30 u31 = u30 - u10 ⇒ Quá trình điện áp và dòng ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 3 pha được xác định nếu biết u10, u20, u30 Qui tắc kích đối nghịch : S1S4, S3S6, S5S2 Nếu công tắc lẻ được đóng, áp pha tâm nguồn có giá trị = +U/2 Nếu công tắc chẳn được đóng, áp pha tâm nguồn có giá trị = - U/2 4.3. Hệ quả: - Điện áp trên tải được xác định hoàn toàn không phụ thuộc tính chất tải nếu biết giản đồ kích đóng các công tắc và áp nguồn. Từ đó có thể điều khiển điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng cách điều khiển giản đồ đóng cắt các công tắc bán dẫn. - Nếu không được kích đóng theo quy tắc đối nghịch , điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải và tham số tải. Dạng dòng điện tức thời: di u = Ri + L z1 z1 z1 dt di u = Ri + L z2 z2 z2 dt di u = Ri + L z3 z3 z3 dt 4.4. Phương pháp điều biên Six-Step : ¾ Giản đồ trạng thái áp và dòng : 90
7. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH a) b) H5.6 ¾ Hệ quả : Trị hiệu dụng áp pha tải: 2 U = U z 3 d Trị hiệu dụng hài cơ bản áp pha tải: 2 U = U z π d 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP Phương pháp điều biến độ rộng xung (Pulse-Width Modulation) PWM + quy tắc kích đóng đối nghịch : - Phương pháp PWM : hạn chế ảnh hưởng của các hài bậc cao do tần số đóng ngắt khoá cao ; - Quy tắc kích đối nghịch (một khoá kích đóng, một khoá kích ngắt trong cặp khoá cùng pha) : Điều khiển dạng áp tải bằng cách điều khiển giản đồ kích đóng cắt các công tắc cùng pha. 91
8. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 5.1.Phương pháp SINPWM H.5.7 - Sóng mang ( thường có dạng tam giác , răng cưa ) có tần số cao . Tần số càng cao thì thành phần hài bậc cao càng giảm ở ngõ ra của bộ nghịch lưu. Tần số sóng mang được chọn theo phương pháp tối ưu hóa các tiêu chuẩn sau: + Thành phần hài bậc cao thấp ( hệ số méo dạng toàn phần THD thấp ) ( tần số đóng cắt fsw cao thì THD giảm) + Công suất mất mát do đóng ngắt khóa thấp ( tần số đóng ngắt phụ thuộc tần số sóng mang : tần số đóng cắt fsw càng lớn thì tổn hao càng tăng) + Thời gian tON , tOFF khóa phải được đảm bảo ( fsw cao thì tON, tOFF giảm ) - Sóng được điều chế mang thông tin được điều khiển : + Biên độ áp ở ngõ ra + tần số hài cơ bản của áp ở ngõ ra. Hai tham số quan trọng trong kỹ thuật SPWM + Tỷ số giữa tần số sóng mang và sóng được điều chế fc/fr . Đối với BJT , IGBT, MOSFET fc/ fr có thể đạt được vài trăm . Đối với SCR, GTO fc/ fr chỉ khoảng vài chục + Tỷ số điều biên : AR / AC <= 1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA PHƯƠNG PHÁP SINPWM a. Mạch 1 pha bán cầu: 92
9. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.8 * Mạch tạo xung sóng mang H5.9 * Mạch tạo sóng Sin: H5.10 93
10. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH b. Mạch cầu 3 pha H5.11 94
11. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.12 5.2. Phương pháp PWM tối ưu 5.3. Phương pháp điều khiển theo dòng điện 6. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP VỚI QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH PHỤ THUỘC ÁP NGUỒN 6.1. Sơ đồ mạch + Có thể dùng SCR + Diode đối song + Tải cộng hưởng RLC + Tính dung kháng dòng iz sớm pha so với uz 6.2. Phân tích : 95
12. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.13 Giả sử S1, S2 đóng dòng qua tải tăng dần. Do tính chất mạch tải ( tính dung kháng ) dòng tải trước pha so với áp tải . Ở thời điểm θ1, iz = 0 ⇒ S1,S2 ngắt. Dòng tải đổi chIều qua D1 và D2 trả năng lượng về nguồn. Ở thời điểm θ2, S3S4 được kích đóng D0 được đặt dưới áp thuận ⇒ D1, D2 được đặt dưới áp ngược Us ⇒ D1, D2 ngắt ⇒ dòng tải qua S3 S4 và tăng dần . Quá trình chuyển mạch được thực hiện nhờ áp nguồn. Thời gian θ1 θ2 đủ để S1S2 khôi phục khả năng khóa của nó. III. BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG 1. BNL DÒNG VỚI QUÁ TRÌNH CM CƯỠNG BỨC: + Xuất hiện quá áp phản kháng khi dòng đổi chiều + Mạch tích năng lượng hoặc tụ C mắc song song tải 1 pha, 3 pha 96
13. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.14 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BNL DÒNG 2.1. Phương pháp điều biên Six – Slep ¾ Sơ đồ BNL dòng ba pha : ¾ Giản đồ kích đóng ngắt linh kiện, đồ thị trạng thái áp và dòng : 97
14. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.15 ¾ Hệ quả : Phân tích Fourier cho dòng tải: 2 3 ⎡ 1 1 1 1 ⎤ iz = I d ⎢sinωt − sin 5ωt − sinωt + sin11ωt + sin13ωt π ⎣ 5 7 11 13 ⎦⎥ Trị hiệu dụng dòng pha tải : 2 I = I z 3 d 2.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU RỘNG XUNG (ít dùng hơn) 98
15. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH BỘ BIẾN TẦN 1. Chức năng: Dùng chuyển đổi điện áp hoặc dòng xoay chiều ở đầu vào từ tần số này thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều tần số khác ở đầu ra. 2. Ứng dụng: Điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số Bộ biến pha Lò cảm ứng 3. Phân loại: a. Theo số pha: - 1 Pha - 3 Pha b. Theo cấu trúc: - Gián tiếp ( có mạch 1 chiều trung gian ) gồm Bộ chỉnh lưu + Bộ nghịch lưu - Trực tiếp ( Cycloconverter ) + QTCM phụ thuộc bên ngoài ( tín hiệu điều khiển ) + QTCM cưỡng bức ( ít dùng ) BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Cấu tạo gồm BCL + BNL ⇒ điều khiển độc lập tần số ra không phụ thuộc tần số ngõ vào Phạm vi: Công suất KW → 102 KW Tần số 10-1Hz → 102 Hz Tối đa Công suất: ~ MW f : ~ 10 KHz 1. Bộ biến tần nguồn áp 99
16. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.16 2. Bộ biến tần nguồn dòng H5.17 100
17. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP 1. Công dụng: Tạo điện áp xoay chiều ở ngõ ra với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được . Dùng điều khiển truyền động động cơ điện xoay chiều 2. Phân loại : Theo QTCM - Bộ biến tần với QTCM cưỡng bức - Bộ biến tần với QTCM phụ thuộc QTCM Cưỡng bức : - Ưu điểm: điện áp ra đạt tần số cao - Khuyết điểm: Bất lợi của bộ chuyển mạch QTCM Phụ thuộc : - Ưu : không có bộ chuyển mạch - Khuyết: tần số thấp → ứng dụng cho truyền động động cơ công suất lớn tốc độ chậm BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP MỘT PHA 1. Sơ đồ mạch: H5.18 2. Quan hệ giữa áp điều khiển và điện áp tải H5.19. Điện áp ngõ ra trên tải 101
18. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.20. Giản đồ áp điều khiển U d 0 u z(1) = .U dkM .sinωt U pM o ≤ U dkM ≤ U pM udkM thay đổi ⇒ uz1 thay đổi ω của udk thay đổi ⇒ ω của uz1 thay đổi BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP BA PHA 1.Sơ đồ mạch : H5.21 2. Hệ quả : f .m ¾ Tần số hài cơ bản ngõ ra: f = 1 2 2l + m − 2 m: số pha f1: tần số áp nguồn xoay chiều l: tổng số xung áp chỉnh lưu trong ½ chu kỳ áp tải ¾ Ưu điểm: dùng SCR , không có BCM , PSW ↓, mạch filter không có ⇒ hiệu suất cao ¾ Khuyết điểm : Số lượng SCR ↑ , nguyên lý điều khiển pha nên hệ số công suất thấp 102
19. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Ví dụ 5.1: Cho bộ nghịch lưu áp mạch cầu một pha với giản đồ kích đóng ngắt các linh kiện cho trong hình vẽ. Aùp nguồn một chiều có giá trị Ud=200V. Tải RL với R= 5Ω và L= 0.05H . Xét mạch ở trạng thái xác lập. S1S2 S1 D1 S3 D3 iz Ud R L S3S4 uz S4 D4 S2 D2 0 10ms 20ms 30ms 1. Vẽ giản đồ áp tải uz và dạng dòng tải; 2. Tính trị hiệu dụng áp tải Uz và phân tích Fourier để tìm biên độ hài cơ bản áp tải Uz1 ; 3. Tính hệ số méo dạng THD (total harmonic distortion) của điện áp tải; 4. Tính trị hiệu dụng hài cơ bản dòng pha tải; 5. Trình bày cách điều khiển sao cho hài cơ bản áp tải có phương trình u1 = 120 2 sin()120.πt ,[V ]; 6. Hãy trình bày một phương pháp PWM điều khiển bộ nghịch lưu này. Ví dụ 5.2 : Cho bộ nghịch lưu áp 3 pha điều khiển theo phương pháp 6 bước (six-step), áp nguồn một chiều có giá trị 200V, tải xoay chiều 3 pha đối xứng đấu sao với Ra=Rb=Rc=10Ω, La=Lb=Lc=0.1H. Q1 Q3 Q5 D3 a) Vẽ giản đồ xung kích đóng ngắt các linh kiện; Ud 200V b) Vẽ giản đồ áp pha tải Uza; Uzb, Uzc; c) Tính trị hiệu dụng áp pha tải Uz ; Q4 Q6 Q2 d) Tính trị hiệu dụng hài bậc 1 áp pha tải; e) Tính trị hiệu dụng hài bậc 1 dòng pha tải, biết tần số hài cơ bản là 50Hz. Ra 10 Rb 10 Rc 10 Uza Uzb Uzc La 0.1H Lb 0.1H Lc 0.1H 103