Bài giảng Điện tử công suất - Chương 5: Nghịch lưu một pha

11 CHƯƠNG 5: NGHỊCH LƯU MỘT PHA o GIỚI THIỆU o CÁC BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA 1. Bộ ñổi ñiện cơ bản 2. Bộ nghịch lưu bán cầu 3. Bộ nghịch lưu cầu ñầy ñủ 4. Bộ ñổi ñiện song song 5. Các kỹ thuật ñiều khiển bộ ñổi ñiện 12:01 PM 2 GIỚI THIỆU
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. 12:01 PM 3 GIỚI THIỆU
Nghịch lưu là bộ chuyển đổi điện thế DC thành AC tuần hoàn với tần số mong muốn khác tần số điện khu vực nhưng có dạng không sin. Muốn có dạng hình sin ta có thể dùng các kỹ thuật khác nhau để thực hiện biến đổi thành dạng sin. 12:01 PM 4 1. Nguồn thế VSI (voltage source Inverter) GIỚI THIỆU 2. Nguồn dòng CSI (Current source Inverter) 12:01 PM 25 1. BỘ ðỔI ðIỆN CƠ BẢN • Nguyên lý cơ bản: R+ - E + S1 - +S2 - Tt S1 S2 V0 1 + - +E 2 - - 0 3 - + -E 4 + + 0 12:01 PM 6 1. BỘ ðỔI ðIỆN CƠ BẢN • Khi chỉ cho mạch hoạt động ở 1 và 3, ta có dạng sóng ra có dạng sóng vuông: Vo + E -E T 1 3 t 1 3 • Với chu kỳ T và tần số 1/T. 12:01 PM 7 1. BỘ ðỔI ðIỆN CƠ BẢN • Khi cho hoạt động cả 1, 2, 3, 4 theo trình tự như hình, ta có dạng sóng ra có dạng nấc. : Vo +E -E T 1 1 3 3 1 1 3 32 4 2 t • Với chu kỳ T và tần số 1/T. 12:01 PM 8 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU o Tải thuần trở: • Sơ đồ nguyên lý: S1 D1E G2 G1 D2 TAI S2E • Ta chọn hoạt động cả 1, 2, 3, 4 Vo +E -E T 1 1 3 3 1 1 3 32 2 2 t 12:01 PM 39
Điện thế hiệu dụng ngõ ra:
Dòng tải trung bình: 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU T t D ON= R V I AVAV = ED T t EdtE T V ON t RMS ON 22 2 0 2 === ∫ • Trường hợp R: 12:01 PM 10
Điện thế trung bình trên một công tắc:
Dòng trung bình trong công tắc:
Công suất hấp thụ trung bình: 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU 2 _ AV SWAV I I = R E D R V P RMSOAV 22 2== • Trường hợp R: ∫ === ONt ON SWAV ED T t EEdt T V 0 _ 22 2 12:01 PM 11 • Trường hợp tải cảm: 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU Vo -E TON SCR1 t SCR2 SCR1 SCR2 +E i2 Vo T/2 t i1 S1 D2 S2D1 t t E R D1 S2 L S1 E G1 D2 G2 12:01 PM 12
Phương trình dòng qua cuộn dây:
Giải ta có nghiệm toàn thể: 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU • Trường hợp tải cảm: ERi dt di L =+ ( ) ;1 01 ττ tt eIe R E ti −− −     −= 2 0 T t ≤≤ ( ) ( ) ( ) ;1 2 01 2 ττ TtTt eIe R E ti −−−− +        + − = Tt T ≤≤ 2 12:01 PM 413
Trị số dòng hiệu dụng:
Nếu công tắc là lý tưởng, công suất nguồn cấp điện DC phải bằng công suất hấp thụ bởi tải: 2. BỘ NGHỊCH LƯU BÁN CẦU • Trường hợp tải cảm: ( ) dteIe R E T dtti T I T ttT RMS 2 2 0 01 0 2 1 21 ∫∫     −     −== −− ττ 1IVP DCDC = 12:01 PM 14 3. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ S4 G3 D1G1 D2 G2 E D4 D3 S3 TAI S2 G4 S1 TT S1 S2 S3 S4 V0 1 On Off Off On +E 2 Off On On Off -E 3 On Off Off On +E 4 Off On On Off -E Vo + E -E T S1 S4 t S1 S4S2 S3 S2 S3 • Trường hợp R: Dạng sóng vuông 12:01 PM 15 3. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ • Trường hợp R: Dạng sóng nấc Vo +E -E T S1 S4 t S1 S3 S2 S3 S2 S4 S1 S4 S1 S3 S2 S3 T/2 T δ TT S1 S2 S3 S4 V0 1 On Off Off On +E 2 On Off Off On +E 3 On Off On Off 0 4 Off On On Off -E 5 Off On On Off -E 6 Off On Off On 0 7 On Off Off On +E 8 On Off Off On +E 12:01 PM 16
Điện áp trung bình trên một công tắc:
Điện áp hiệu dụng ngõ ra: • Trường hợp R: 3. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ       −=       − == ∫       − T E T T EEdt T V T SWAV δ δ δ 2 1 2 22 2 0 _ T EdtE T V T RMS δδ 2 1 2 2 0 2 0 −== ∫ − 12:01 PM 517 3. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ • Trường hợp cảm: ψ: là góc dự kiến đóng các SCR. ψS: là góc dẫn cho các SCR. ψD: là góc dẫn cho các diode ngược. 12:01 PM 18 3. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ Trường hợp cảm: 12:01 PM 19 4. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ C T1 + - E L0 dk SCR1 xung ZL T2 SCR2 • Bộ ñổi ñiện song song dạng 1: R t R t E It C offoffoff 693,02 ≥== • Khi có điện thế E tác động cùng 1 lúc vào 2 anod SCR, thì SCR nào có xung kích dương hiện diện sẽ dẫn trước. 12:01 PM 20 4. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ • Bộ ñổi ñiện song song dạng 2: T2 L0 T2 SCR1C2 C3 dk2 T1 + - E D4 SCR2 xung dk1 xung ZL D4 C1 • Để tránh sự tăng quá và đảm bảo điện thế ra có dạng hình vuông ta sử dụng 2 diod D4 và hồi tiếp bằng cuộn cảm L. 12:01 PM 621 4. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ • Bộ ñổi ñiện song song dạng 2: T2 L0 T2 SCR1C2 C3 dk2 T1 + - E D4 SCR2 xung dk1 xung ZL D4 C1 • Cuộn cảm L tạo nên điện thế dương ở catod các SCR nhằm bảo đảm SCR được ngưng nhanh khi chuyển trạng thái. 12:01 PM 22 4. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU ðẦY ðỦ • Bộ ñổi ñiện song song dạng 3: Q1 + - E G1 Q2 T1 ZL G2 • Là bộ đổi điện song song sử dụng Mosfet công suất để có thể điều khiển bằng áp. 12:01 PM 23
Có nhiều cách để thực hiện sự điều chỉnh điện thế AC ngõ ra: o Điều khiển điện thế DC cấp vào bộ đổi điện. o Điều khiển điện thế AC ngõ ra bộ đổi điện. o Điều khiển điện thế trong bộ đổi điện. 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI 12:01 PM 24
Phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM) là phương pháp thông dụng để điều khiển điện thế trong bộ đổi điện: o Điều biến độ rộng đơn xung. o Điều biến độ rộng đa xung. o Điều biến độ rộng xung dùng sóng sin. 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI 12:01 PM 725 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • PWM ñơn xung: • Trong cách này, dạng sóng điện thế ra gồm 1 xung đơn trong mỗi bán kỳ. Với tần số cho sẵn (f = 1/T), độ rộng xung tw có thể thay đổi để điều khiển điện thế ra. -E Vo = VA -VB t +E S1 S4 S2 S3 S1 S4 S2 S3 T/2 T VA VB +E +E t t -E Vo = VA -VB t +E S1,4 S1,3 S2,3 T/2 T VA VB +E +E t t S1 S2 S1 S2 S4 S3 S4 S3 S1 S2 S1 S2 S4 S3 S4 S3 S2,3 S2,4S1,4 S1,3 12:01 PM 26 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • PWM ñơn xung: • Điện thế ra có thể được điều chỉnh tuyến tính từ trị cực đại đến 0 hoặc bằng cách làm sớm pha hoặc bằng chậm pha sự khởi dẫn của các cặp công tắc 12:01 PM 27 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • PWM ña xung: • Điện thế ra có thể được giao hoán on/off nhanh nhiều lần trong suốt mỗi bán kỳ để tạo nên chuỗi xung có biên độ không đổi. Tần số xung fp=2m do đó 1 ô xung trong một chu kỳ 2m=fp/f π2π π2 p f 1 p f 1 VA VB +E t t Vo Vo t t 0 m=2 m=3 -E +E -E -E +E +E -E T m=5 m=5 π 12:01 PM 28 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • PWM ña xung: • Với m = 2 → tw< π/2, với m = 3, rõ ràng là tw< π/3 12:01 PM 829 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • ðiều biến xung sin (SPWM): • Trong SPWM điện thế ra được điều khiển bằng cách làm thay đổi chu kỳ on/off sao cho chu kỳ (độ rộng xung) dài nhất tại đỉnh của dạng sóng hình π π2 Vo t -E +E T 12:01 PM 30 5. KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN ðIỆN THẾ BỘ BIẾN ðỔI • ðiều biến xung sin (SPWM): • Điểm giao hoán được xác định là giao điểm của sóng sin và sóng tam giác. Độ rộng xung tw được xác định bởi thời gian trong đó vst(t)<vca(t) trong bán kỳ dương của vca(t) và vst(t)>vca(t) trong bán kỳ âm của vR-(t). m c f f N = ; c m c R V V V V M == 10 ≤≤M 12:01 PM 31 NGHỊCH LƯU BA PHA 12:01 PM