ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH CHƯƠNG V BỘ NGHỊCH LƯU I GIỚI THIỆU: Chức ứng dụng: Có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều thành lượng điện xoay chiều Ứng dụng: - Bộ biến tần ( truyền động động điện xoay chiều ) - Lò cảm ứng trung tần , hàn trung tần - Nguồn xoay chiều gia đình , nguồn lưu điện (UPS), chiếu sáng (đèn huỳnh quang cao tần) - Bù nhuyễn công suất phản kháng - Truyền tải điện cao áp chiều (HVDC) Phân loại: a Theo tham số điều khiển ngõ : - Bộ nghòch lưu áp : điều khiển áp - Bộ nghòch lưu dòng: điều khiển dòng b Theo tính chất nguồn : - Bộ nghòch lưu áp nguồn áp - Bộ nghòch lưu dòng nguồn dòng - Bộ nghòch lưu dòng nguồn áp - Bộ nghòch lưu áp nguồn dòng c Theo trình chuyển mạch : - Bộ nghòch lưu với: + QTCM cưỡng : linh kiện có khả kích đóng ngắt (MOSFET, BJT, IGBT, GTO) + QTCM phụ thuộc : linh kiện kích đóng, trình ngắt phụ thuộc áp nguồn tải (Thyristor) Các mức áp cổng tiêu chuẩn: pha 120V / 60 Hz 220V/50Hz 115V/400 Hz pha 120/208/60 Hz 220/380/50Hz 115/200/400 Hz II BỘ NGHỊCH LƯU ÁP: Cấu tạo bản: - Nguồn điện áp chiều : acquy ( bình ) , pin điện từ nguồn điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng - Linh kiện nghòch lưu : có khả kích đóng kích ngắt trình chuyển mạch cưỡng bức, Thyristor trình chuyển mạch phụ thuộc : + Công suất nhỏ vừa : sử dụng khoá BJT , MOSFET, IGBT + Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) Thyristor thường 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 tải xoay chiều với nguồn chiều hạn chế áp kích ngắt công tắc (chức bảo vệ linh kiện) 85 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH - - - Điện áp giữ không đổi thay đổi tần số giữ cố đònh thay đổi Điện áp điều khiển việc điều chỉnh giá trò điện áp nguồn DC giữ độ lợi (gain) nghòch lưu không đổi Nếu nguồn DC có trò số cố đònh không đổi điện áp thay đổi cách thay đổi độ lợi nghòch lưu ( ví dụ phương pháp điều biến độ rộng xung ) Độ lợi đònh nghóa tỷ số điện áp AC điện áp vào DC Điện áp ngõ nghòch lưu lý tưởng phải có dạng sin Tuy nhiên dạng sóng nghòch lưu thực tế dạng sin chuẩn (do linh kiện nghòch lưu khoá làm việc chế độ đóng cắt) chứa sóng hài bậc cao Các sóng hài gây nhiễu dạng lan truyền cáp dẫn dạng tia xạ sóng điện từ, gây ảnh hưởng không tốt đến tải, nguồn mạng viễn thông Vì biện pháp sử dụng để chống nhiễu cần thiết : ví dụ lọc nguồn, thiết bò nghòch lưu đặt tủ kim loại, sử dụng cáp bọc … Với ứng dụng linh kiện điện tử công suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc cao áp bò loại bỏ giảm bớt đáng kể kỹ thuật đóng ngắt Các thuật toán PWM tối ưu đề xuất phần lớn xét đến khía cạnh sóng hài Bộ nghòch lưu áp pha bán cầu: 2.1 Sơ đồ: H5.1 2.2 Giản đồ : p dòng tải RL H5.2 2.3 Hệ : o Tải R: Trò hiệu dụng áp tải : 86 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH π U ⎛Ud ⎞ Uz = ⎜ ⎟ dωt = d = 0.5U d ∫ π 0⎝ ⎠ 2 Trò tức thời áp tải phân tích theo Fourier: ∞ 2U d sin nωt n =1, 3, 5, nπ ∑ uz = Trò hiệu dụng hài áp tải : n =1 ⇒ U z1 = 2U d = 0.45U d 2π Hệ số méo dạng toàn phần THD : ∞ THD = ∑U n = , U1 n ⋅ 100% = U z2 − U z21 U z1 Phương trình tức thời dòng tải : i z = o ⋅ 100% uz R Tải L: Do cuộn cảm kháng có khả tích giải phóng lượng nên khoảng dẫn linh kiện phân tích sau : Ở thời điểm π , S1 ngắt, cuộn cảm giải phóng lượng để trì dòng, dòng qua D2 , tải, nguồn đến dòng giảm Vì dù S2 kích đóng dòng không qua mà qua D2 Sau thời điểm dòng 0, S2 kích dòng đảo chiều qua S2 Tương tự S2 bò kích ngắt, dòng cuộn cảm trì liên tục qua D1, tải nguồn lên đến dòng giảm , dòng đảo chiều qua S1 dẫn Khoảng dẫn linh kiện trình bày hình Khi dòng qua S1 D1, điện áp tải Ud/2 Khi dòng qua S2 D2, điện áp tải -Ud/2 o Tải RL: Các khoảng dẫn linh kiện phân tích tương tự, dòng tải có dạng hàm mũ Bộ nghòch lưu áp pha dạng cầu 3.1 Sơ đồ: 87 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H5.3 3.2 Giản đồ: H5.4 Trạng thái áp dòng cho tải RL 3.3 Phân tích : o Tải R: Trò hiệu dụng áp tải : Uz = π U π∫ d dω t = U d Trò tức thời áp tải phân tích theo Fourier: uz = ∞ 4U d sin nωt n =1, 3, 5, nπ ∑ Trò hiệu dụng hài áp tải : n =1 ⇒ U z1 = 4U d 2π = 0.9U d 88 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Bộ nghòch lưu áp 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 pha đối xứng thỏa mãn hệ thức: uz1 + uz2 + uz3 = Chia nguồn áp U chia làm nguồn U/2 Thiết lập phương trình : uz1 = u10 - uN0 uz2 = u20 - uN0 uz3 = u30 - uN0 Cộng phương trình với ý kết vế trái có giá trò uN0 = u10 + u 20 + u 30 Thay giá trò vào ngược trở lại phương trình : 2u10 − u 20 − u 30 2u 20 − u10 − u 30 = u z1 = u z2 u z3 = Với : u10, u20, u30 - điện áp pha tâm nguồn u12, u23, u31 - điện áp dây tải 2u 30 − u10 − u 20 u12 = u10 - u20 89 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH u23 = u20 – u30 u31 = u30 - u10 ⇒ Quá trình điện áp dòng ngõ nghòch lưu áp pha xác đònh biết u10, u20, u30 Qui tắc kích đối nghòch : S1S4, S3S6, S5S2 Nếu công tắc lẻ đóng, áp pha tâm nguồn có giá trò = +U/2 Nếu công tắc chẳn đóng, áp pha tâm nguồn có giá trò = - U/2 4.3 Hệ quả: - Điện áp tải xác đònh hoàn toàn không phụ thuộc tính chất tải biết giản đồ kích đóng công tắc áp nguồn Từ điều khiển điện áp ngõ nghòch lưu cách điều khiển giản đồ đóng cắt công tắc bán dẫn - Nếu không kích đóng theo quy tắc đối nghòch , điện áp tải thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải tham số tải Dạng dòng điện tức thời: di z1 dt di = Ri z + L z dt di = Ri z + L z dt u z1 = Ri z1 + L uz2 u z3 4.4 Phương pháp điều biên Six-Step : ¾ Giản đồ trạng thái áp dòng : 90 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH a) ¾ Hệ : Trò hiệu dụng áp pha tải: Uz = Ud b) H5.6 Trò hiệu dụng hài áp pha tải: Uz = Ud π 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 nghòch : - Phương pháp PWM : hạn chế ảnh hưởng hài bậc cao tần số đóng ngắt khoá cao ; - Quy tắc kích đối nghòch (một khoá kích đóng, khoá kích ngắt cặp khoá pha) : Điều khiển dạng áp tải cách điều khiển giản đồ kích đóng cắt công tắc pha 91 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 , cưa ) có tần số cao Tần số cao thành phần hài bậc cao giảm ngõ nghòch lưu Tần số sóng mang chọn theo phương pháp tối ưu hóa tiêu chuẩn sau: + Thành phần hài bậc cao thấp ( hệ số méo dạng toàn phần THD thấp ) ( tần số đóng cắt fsw cao THD giảm) + Công suất mát đóng ngắt khóa thấp ( tần số đóng ngắt phụ thuộc tần số sóng mang : tần số đóng cắt fsw lớn tổn hao tăng) + Thời gian tON , tOFF khóa phải đảm bảo ( fsw cao tON, tOFF giảm ) Sóng điều chế mang thông tin điều khiển : + Biên độ áp ngõ + tần số hài áp ngõ Hai tham số quan trọng kỹ thuật SPWM + Tỷ số tần số sóng mang sóng điều chế fc/fr Đối với BJT , IGBT, MOSFET fc/ fr đạt vài trăm Đối với SCR, GTO fc/ fr khoảng vài chục + Tỷ số điều biên : AR / AC