Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Chuyển mạch và nghịch lưu phụ thuộc - Trần Trọng Minh

06/04/2011 1 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 • Vấn đề chuyển mạch trong các sơ đồ chỉnh lưu • Chế độ nghịch lưu phụ thuộc và bộ biến đổi phụ thuộc nói chung • Bộ biến đổi có đảo chiều 10/02/2011 2 06/04/2011 2 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu  Chuyển mạch: một van khóa lại, một van mở ra. Dòng tải chuyển từ một van này sang một van khác.  Chuyển mạch tức thời: thời gian chuyển mạch bằng 0.  Chuyển mạch thực tế: do có điện cảm nối tiếp trong mạch van, dòng không thể thay đổi đột biến. Chuyển mạch diễn ra trong một khoảng thời gian, gọi là thời gian chuyển mạch. Góc pha tương ứng gọi là góc chuyển mạch .  Điện cảm trong mạch van: có thể là bất cứ thành phần điện cảm nào, do dây nối, do điện cảm tản MBA. 10/02/2011 3 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu  Điện cảm trong mạch van: có thể là bất cứ thành phần điện cảm nào, do dây nối, do điện cảm tản MBA. 10/02/2011 4 0 1a 2a µL Sơ đồ mạch từ MBA Mạch điện tương đương MBA và mạch điện thay thế đơn giản hóa 06/04/2011 3 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Giả thiết:  Trong giai đoạn chuyển mạch dòng tải không kịp thay đổi Id=const.  Van bán dẫn là lý tưởng  Trong giai đoạn chuyển mạch:  Kết thúc chuyển mạch:  Phương trình mạch vòng chuyển mạch:  Nghiệm p/t: 10/02/2011 5 Mạch điện tương đương để xét chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha. 1 2; .V d a V ai I i i i   1 20; .V V di i I  22 2aa diX u d  2 2; ; sin m a aX L t u U       2 cos - cos m a a Ui X   3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Tại chuyển mạch kết thúc, ia=Id,  Trong khoảng  hai van cùng dẫn.  Điện áp tải bị mất đi phần  Sụt áp trong quá trình chuyển mạch:  Đặc tính ngoài của chỉnh lưu Ud(Id): 10/02/2011 6 Đồ thị dạng dòng điện, điện áp khi xảy ra chuyển mạch.      2 cos - cos + m d a UI X       U  22 1 sin cos - cos + m m UU U d                   2 2 2 2 d d aI I XUU U      0 0 cos cos . d d a d d U U U X IU          06/04/2011 4 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.1 Chuyển mạch trong sơ đồ tia một pha  Đặc tính ngoài của chỉnh lưu Ud(Id): 10/02/2011 7 Đặc tính ngoài của chỉnh lưu (a) Đồ thị; (b) Mạch điện tương đương 0 0 cos cos . d d a d d U U U X IU          U 30   60   0   0 cosdU  dU  aX  0 cosdU  Sụt áp do chuyển mạch 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.3 Chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha  Phương trình mạch vòng chuyển mạch, lưu ý mạch vòng chuyển mạch xảy dưới tác dụng của điện áp dây:  Phương trình xác định góc chuyển mạch:  Phương trình đặc tính ngoài:  Mạch điện tương đương 10/02/2011 8 2 aa ba diX u d   2, cos cos 2 m l a a U i X     2, cos cos 2 m l d a U I X        3 2 a dX IU    0 0 3cos cos 2 a d d d d X IU U U U         06/04/2011 5 3.1 Chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu 3.1.3 Chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha  Khi chuyển mạch do hai van V1, V2 cùng dẫn, thế của điểm catot chung sẽ là:  ud= (ua+ub)/2 .  Thế trên van sẽ là: 10/02/2011 9 45   U  1 2 2 c b ac ab V a d a u u u uu u u u       3.1.4 Chuyển mạch trong sơ đồ cầu ba pha  Trong trường hợp đơn giản, không khác gì chuyển mạch trong sơ đồ tia ba pha.  Chuyển mạch diễn ra giữa hai nhóm van: catot chung và anot chung.  Sụt áp do chuyển mạch sẽ lớn gấp đôi so với sơ đồ tia ba pha.  Phương trình xác định góc chuyển mạch và phương trình đặc tính ngoài: 10/02/2011 10 U 3 a dX IU     2, cos cos 2 m l d a U I X        0 0 3cos cos a dd d d X IU U U U         06/04/2011 6 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 Các điều kiện để thực hiện NLPT  NLPT: Chế độ làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, trong đó năng lượng phía một chiều được đưa trả về phía xoay chiều.  Năng lượng đưa về: có thể để giải tỏa năng lượng dư thừa, nếu không sẽ phải giải tỏa dưới dạng nhiệt, gây tổn thất lãng phí. Trong một số trường hợp không thể giải tỏa kịp, gây nên chậm quá trình. Ví dụ hãm tái sinh trong các hệ truyền động.  Phía lưới:  Không thực sự là “phụ tải”. Năng lượng sẽ được các phụ tải khác tiêu thụ.  Lưới coi là kho năng lượng “vô cùng lớn”, nên có thể tiếp nhận “bao nhiêu cũng được”, miễn là đảm bảo các điều kiện an toàn về điện áp, dòng điện.  Năng lượng đưa về thực sự là công suất tác dụng (kW). 10/02/2011 11 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 Các điều kiện để thực hiện NLPT  Các điều kiện để thực hiện chế độ NLPT:  1. Phía DC phải có nguồn s.đ.đ Ed, có chiều tăng cường dòng Id. Dòng Id đi vào ở cực - và đi ra ở cực + của Ed. Như vậy Ed làm việc ở chế độ máy phát.  2. Góc điều khiển  > 90. Đây là điều kiện để Ud<0 hay phía lưới là nơi nhận năng lượng.  3. Góc khóa của van  > = min = ωtr, tr là thời thời gian phục hồi tính chất khóa của van. Đây là điều kiện để đảm bảo an toàn, không bị sự cố lật nghịch lưu. 10/02/2011 12 06/04/2011 7 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha. Phương trình đặc tính vào của NLPT: Dòng chỉnh lưu trung bình xác định bằng Phương trình xác định góc chuyển mạch : Công suất đưa trả về lưới:  Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện, điện áp NLPT tia một pha. 10/02/2011 13 /aX  0 cosdU  U 0 0 0 cos cos cos . d d d a d d U U U U U X IU               d d d U EI R    2 cos -cos m d a UI X        d dP U I kW Góc khóa của van 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha.  Đặc tính tổng quát của sơ đồ chỉnh lưu: kết hợp đặc tính ra của chỉnh lưu với đặc tính vào của nghịch lưu ta có đặc tính tổng quát Ud(Id).  Góc điều khiển max:  Do đó  Điều kiện dàng buộc  Đặc tính tới hạn của NLPT.  Với mỗi góc điều khiển :  Nhân hai vế ph/tr dòng điện với Ud0 vào hai vế pt/tr thứ nhất, trừ đi ph/tr thứ hai ta được phương trình đặc tính tới hạn: 10/02/2011 14        cos cos     2 cos +cos a dm X I U    cos costh r tht        2 2 cos +cos cos +cos cos +cos cos cos .a d a dth th thm m X I X I U U              max , 2 cos +cos a d thth m X I U    , , 0 cos a d th d th d X I U U     , , 0 cos a d th d th d X I U U      06/04/2011 8 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.1 NLPT trong sơ đồ tia một pha.  Đặc tính tổng quát của sơ đồ chỉnh lưu. 10/02/2011 15 , , 0 cos a d th d th d X I U U      U 30   60   0  0 cosdU  dU  dU  90   120   15   15th   ,d thU  Chỉnh lưu Nghịch lưu 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.2 NLPT trong sơ đồ cầu một pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Các biểu thức tính toán:  Sụt áp do chuyển mạch:  Dòng một chiều trung bình:  Phương trình xác định góc chuyển mạch:  Đặc tính tổng quát: 10/02/2011 16 2 d aI XU    d d d U EI R    2 cos -cos m d a UI X       0 0 2 2cos cosa d a dd d d X I X IU U U         06/04/2011 9 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.3 NLPT trong sơ đồ tia ba pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Các biểu thức tính toán:  Sụt áp do chuyển mạch:  Dòng một chiều trung bình:  Phương trình xác định góc chuyển mạch:  Đặc tính tổng quát: 10/02/2011 17 d d d U EI R   3 2 a dX IU     2, cos cos 2 m l d a U I X        0 0 3cos cos 2 a d d d d X IU U U U          3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.4 NLPT trong sơ đồ cầu ba pha.  Các vấn đề giống như ở sơ đồ tia một pha.  Xét một chế độ của chỉnh lưu cầu (các chế độ khác tham khảo TL). Rất quan trọng vì chỉnh lưu cầu được sử dụng nhiều.  Các biểu thức tính toán:  Sụt áp do chuyển mạch:  Dòng một chiều trung bình:  Phương trình xác định góc chuyển mạch:  Đặc tính tổng quát: 10/02/2011 18 d d d U EI R   3 a dX IU     2, cos cos 2 m l d a U I X        0 0 3cos cos a dd d d X IU U U U          06/04/2011 10 3.2 Nghịch lưu phụ thuộc 3.2.4 NLPT trong sơ đồ cầu ba pha.  Đặc tính tổng quát của chỉnh lưu cầu ba pha trên hệ đơn vị tương đối.  Thể hiện ba chế độ:  1. Đặc tính là các đoạn thẳng: bình thường có hai van dẫn, khi chuyển mạch có ba van dẫn.  2. Đoạn đặc tính elip, lúc nào cũng có ba van dẫn, =60.  3. Chế độ có thể có 4 van dẫn (không thể hiện trên đồ thị). 10/02/2011 19 3 2 3 2 3 4 3 4 1 2 1 1 dU   dI  60   60   30   0  1 2 0 1 2  3 2  90   120   15   dU   15th   3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều  Nhu cầu đảo chiều dòng điện:  Trong hệ truyền động một chiều, khi cần đảo chiều quay hoặc khi giảm tốc độ hoặc khi dừng cần hãm tái sinh.  Trong một số công nghệ, như mạ đảo dòng hoặc khi cần đảo chiều dòng điện nhanh.  Đảo chiều bằng thiết bị có tiếp điểm không thể thực hiện được khi cần đảo chiều nhiều lần.  Dòng chỉnh lưu chỉ có một chiều cố định (đi ra ở nhóm van catot chung, đi vào ở nhóm anot chung). Vì vậy muốn đảo chiều điện phải có hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau. 10/02/2011 20 06/04/2011 11 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.1 BBĐ có đảo chiều, điều khiển chung  Hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau:  Giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình phải bằng nhau  Chỉ có thể có được nếu: . Trường hợp đầu bị loại trừ vì hai chỉnh lưu ngược nhau. Trường hợp thứ hai nghĩa là nếu chỉnh lưu 1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì chỉnh lưu 2 phải ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc.  Giá trị trung bình bằng nhau nhưng giá trị tức thời khác nhau, sinh ra dòng cân bằng phải được hạn chế nhờ cuộn kháng cân bằng, như ở sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng.  Ưu điểm: đảo chiều nhanh.  Nhược điểm: cuộn kháng cân bằng làm tăng kích thước của BBĐ, tăng tổn hao công suất trên cuộn kháng, cũng làm giảm đặc tính động vì có cuộn cảm. 10/02/2011 21 1 1 2 2cos cosd do d doU U U U     1 2 2 1;       1 2d du u 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.1 BBĐ có đảo chiều, điều khiển chung  Hai loại sơ đồ BBĐ có đảo chiều, gồm hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược với nhau.  (a) Điều khiển chung; (b) Điều khiển riêng. 10/02/2011 22 06/04/2011 12 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.2 BBĐ có đảo chiều, điều khiển riêng  BBĐ có đảo chiều điều khiển riêng:  Khắc phục nhược điểm của điều khiển chung, không dùng cuộn kháng cân bằng. Kích thước gọn nhẹ, giảm tổn hao.  Mỗi thời điểm chỉ có một BBĐ làm việc.  Điều khiển phức tạp: cần có bộ logic đảo chiều.  Bộ logic đảo chiều:  Bộ cảm biến đo dòng điện và xác định dòng về không (zero detector). Bộ phận phát hiện dòng về không luôn theo dõi dòng điện Id và cho ra tín hiệu lôgic dòng khác không hay bằng không, hoặc cho tín hiệu về chiều dòng điện, Id>0 và Id<0.  Bộ phận nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều. Thông thường tín hiệu yêu cầu đảo chiều đến từ sự thay đổi dấu của lượng đặt, ví dụ (+) ứng với chiều thuận, (-) ứng với chiều nghịch.  Bộ phận tạo trễ. Thời gian trễ thường có thể điều chỉnh được trong khoảng vài chục ms . 10/02/2011 23 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều 3.3.2 BBĐ có đảo chiều, điều khiển riêng  Bộ logic đảo chiều: 10/02/2011 24 Theo dõi dòng Id Nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều Tín hiệu khóa hoặc cho phép xung điều khiển đến các thyristor của CL1 và CL2 Bộ tạo thời gian trế an toàn Ngoài ra thông thường có mạch vòng dòng điện, bộ điều chỉnh dòng điện phải thay đổi góc điều khiển  để đảm bảo các chế độ phù hợp. Ví dụ như phải hạn chế dòng điện lúc đảo chiều hoặc thực hiện chế độ NLPT để hãm tái sinh 06/04/2011 13 3.3 Bộ biến đổi có đảo chiều Mô phỏng BBĐ có đảo chiều  Nghiên cứu BBĐ có đảo chiều qua mô hình mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK,  SimPowerSystems: Demos  Electric Drive models: DC-4_example.mdl  With circulating current: Mô hình điều khiển chung.  Without circulating current: Mô hình điều khiển riêng, lưu ý thiết kế bộ logic đảo chiều (Drive controller).  Chạy thử mô hình:  Xem xét cấu trúc mạch lực, hệ thống điều khiển.  Thay đổi giá trị đặt mô men hoặc tốc độ với sự thay đổi lớn để có thể thấy rõ hiệu ứng đảo chiều qua dòng điện, góc điều khiển. Nhận xét kết quả mô phỏng! 10/02/2011 25 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Các sơ đồ hình tia cho lợi thế về dòng điện.  Dòng chỉ chạy qua một van nên tổn thất trên van nhỏ.  Phù hợp với các yêu cầu điện áp chỉnh lưu thấp, dòng chỉnh lưu lớn.  Các sơ đồ cầu cho lợi thế về điện áp.  Với cùng điện áp chỉnh lưu yêu cầu điện áp trên van chỉ bằng một nửa so với sơ đồ hình tia.  Tổn thất trên van lớn vì dòng phải chạy qua hai van một lúc.  Phù hợp với tải yêu cầu điện áp cao, dòng tương đối nhỏ.  Các sơ đồ 3 pha cho công suất lớn.  Các sơ đồ một pha chỉ phù hợp với công suất dưới 5 kW. 10/02/2011 26 06/04/2011 14 Tóm lại về các sơ đồ chỉnh lưu  Đọc kỹ lại tài liệu bài giảng Điện tử công suất.  Làm các bài tập phần chỉnh lưu! 10/02/2011 27