TÀI LIỆU GIẢNG DẠY - - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Giảng viên: Th.S Nguyễn Đức Điển Nam Định, tháng 08 năm 2015 TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ THAM KHẢO Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 Trần Văn Thịnh: “Tính toán thiết kế thiết bị Điện tử công suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2009 CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 MỤC LỤC Chương I CHỈNH LƯU 1.1 CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu 1.1.2 Các tham số mạch chỉnh lưu 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế 1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU 1.2.1 Ảnh hưởng điện áp nguồn 1.2.2 Ảnh hưởng tần số dạng điện áp nguồn 10 1.2.3 Ảnh hưởng dòng điện tải 10 1.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ 11 1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 11 1.3.1 Các sơ đồ chỉnh lưu 11 1.3.2 Các dạng tải chỉnh lưu 14 1.3.3 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ (hình 1.2a) 15 1.3.4 Chỉnh lưu hình tia hai pha (hình 1.2b) 16 1.3.5 Chỉnh lưu cầu pha (hình 1.2d) 17 1.3.6 Chỉnh lưu ba pha hình tia (hình 1.2c) 18 1.3.7 Chỉnh lưu cầu ba pha (hình 1.2e) 19 1.3.8 Chỉnh lưu bán điều khiển (hình 1.2h, i, k) 21 1.4 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23 1.5 ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA THYRISTOR 24 1.5.1 Đặc điểm vùng điều khiển GK Thyristor 24 1.5.2 Ảnh hưởng phần tử nối song song với cực điều khiển 25 1.6 CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR 27 1.6.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu 27 1.6.2 Các nguyên tắc điều khiển hệ đồng 27 1.6.3 Mạch điều khiển (MĐK) kênh nhiều kênh 29 1.7 KHÂU ĐỒNG BỘ 30 CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 1.7.1 Mạch đồng pha 30 1.7.2 Mạch đồng 32 1.8 KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP TỰA 37 1.8.1 Mạch tạo cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng transistor 38 1.8.2 Mạch tạo cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng OA 42 1.9 KHÂU SO SÁNH 46 1.10 KHÂU TẠO XUNG ĐƠN 47 1.11 KHÂU TẠO XUNG KÉP 50 1.11.1 Ghép xung mạch logic OR 51 1.11.2 Ghép xung diode 51 1.12 KHÂU TẠO XUNG CHÙM 52 1.12.1 Các tạo dao động (multivibrator) 54 1.12.2 Mạch trộn xung có độ rộng (180o-α) 55 1.13 KHÂU TÁCH XUNG 57 1.14 KHÂU KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT XUNG ĐIỀU KHIỂN 57 1.14.1 Khuếch đại xung ghép trực tiếp 58 1.14.2 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang 61 1.14.3 Khuếch đại xung ghép biến áp xung 61 1.15 KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 64 1.15.1 Tạo điện áp điều khiển 64 1.15.2 Mạch hạn chế góc điều khiển 76 1.15.3 Mạch hạn chế gia tốc điện áp 77 1.16 NGUỒN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 77 1.16.1 Giới thiệu chung 77 1.16.2 Nguồn chiều ổn áp theo cấp chuẩn 78 1.17 VÍ DỤ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU 81 1.17.1 Mạch phát xung đơn khâu tách xung 81 1.17.2 Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung 82 1.16.3 Mạch điều khiển chỉnh lưu ba pha 85 Chương II ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 88 CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 2.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG 88 2.2 ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 89 2.2.1 Mạch lực 89 2.2.2 Mạch điều khiển 93 2.3 ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA 94 2.3.1 Mạch lực 94 2.3.2.Mạch điều khiển 97 Chương III BĂM XUNG MỘT CHIỀU 100 3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU 100 3.2 BĂM XUNG MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU 102 3.2.1 Băm xung chiều nối tiếp “Buck chopper” 102 3.2.2 Băm xung chiều song song “Boost” 103 3.2.3 Băm xung chiều kiểu nối tiếp – song song (Buck-Boost) 104 3.3 ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU 105 3.3.1 Cấu trúc điều khiển 105 3.3.2 Phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 107 3.3.3 Khuếch đại xung (Drive) 112 3.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 122 3.4.1 Phương pháp điều khiển riêng 122 3.4.2 Phương pháp điều khiển đối xứng 124 3.4.3 Phương pháp điều khiển không đối xứng 127 3.5 MỘT SỐ VÍ DỤ BĂM XUNG MỘT CHIỀU 129 3.5.1 Băm xung chiều không đảo chiều 129 3.5.2 Ví dụ băm xung chiều đảo chiều 133 Chương IV NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN 139 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 139 4.1.1 Nghịch lưu độc lập 139 4.1.2 Biến tần 140 4.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 142 4.2.1 Mạch lực 142 CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 4.2.2 Bộ lọc tần số đầu nghịch lưu 144 4.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp pha 145 4.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 147 4.3.1 Các đặc điểm 147 4.3.2 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 148 4.4 Điều khiển nghịch lưu 150 4.4.1 Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản 151 4.4.2 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp với phương pháp SPWM 153 CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 Chương I CHỈNH LƯU 1.1 CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều cấp cho tải Lĩnh vực ứng dụng chỉnh lưu rộng rãi chủng loại tải dùng dòng điện chiều đa dạng Đó động điện chiều, cuộn hút nam châm điện, rơle điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân …Đại đa số thiết bị điện tử hoạt động điện áp chiều nên để lấy lượng từ lưới điện xoay chiều phải thông qua mạch chỉnh lưu Sơ đồ cấu trúc BCL hình 1.1 U1~ BAL U2~ MV Ud LSB TẢI Id MĐK KHT Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chỉnh lưu BAL – biến áp lực có chức chuyển cấp điện áp số pha chuẩn lưới điện sang giá trị điện áp số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu – tải Nếu điện áp số pha nguồn phù hợp với tải không cần dùng BAL sử dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu, trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia bắt buộc phải có BA MV – mạch van, van bán dẫn đấu theo kiểu sơ đồ đó, trực tiếp thực sơ đồ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Vì khâu thiếu sơ đồ mạch chỉnh lưu MĐK – mạch điền khiển Khi mạch van sử dụng van bán dẫn điều khiển (như thyristor ) có mạch để thực việc cho van dẫn dòng vào thời điểm cần thiết nhằm khống chế lượng đưa tải Khi dùng van điốt mạch Tùy thuộc van sử dụng mà chỉnh lưu phân thành ba loại sau: • Nếu van thyristor gọi chỉnh lưu điều khiển CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 • Nếu van dùng điốt, gọi chỉnh lưu không điều khiển • Nếu mạch van dùng điốt thyristor, gọi chỉnh lưu bán điều khiển LSB – mạch lọc san Khâu nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện phẳng theo mong muốn tải Nếu điện áp sau MV đạt yêu cầu bỏ khâu LSB HT – khối hỗ trợ, gồm mạch giúp theo dõi đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn chiều ổn định cho mạch điều khiển khống chế Nhiệm vụ người thiết kế xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể BCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc khâu chức cần có Từ tiến hành triển khai tính toán tỉ mỉ khâu để có BCL hoàn chỉnh Trong chương trình bày chi tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải có hiểu biết vấn đề thiết kế BCL đề cấp mục 1.1.2 Các tham số mạch chỉnh lưu Để phân tích đánh giá BCL, thường dựa vào tham số sau: Điện áp nguồn xoay chiều định mức: U1đm (V) Tần số điện áp nguồn định mức: f (Hz) phạm vi biến thiên Phạm vi biến thiên điện áp nguồn U1min, U1max độ biến thiên điện áp tương đối so với điện áp định mức: U1max − U1dm U1dm U − U1min Độ giảm điện áp a1 = 1dm U1dm Độ tăng điện áp a1 = Điện áp đầu chiều định mức Udđm (V) Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Udmin, Udmax Dòng điện tải định mức chỉnh lưu Idđm Phạm vi biến thiên dòng điện tải Idmin, Idmax Biên độ đập mạch điện áp ra:U1max (đây biên độ sóng hài điện áp chiều đầu theo khai triển Furier ) Hệ số đập mạch điện áp ra: kdm = U1max tỉ số biên độ sóng hài thành phần trung bình (hoặc U0 không đổi ) điện áp Hệ số nhỏ điện áp phẳng 10 Nội trở chỉnh lưu: r = CEA TĐH-NĐ ∆U d ∆I d V1.0/2015 11 Điện trở động chỉnh lưu rd = dU d , (tỉ số độ biến thiên điện áp đột dI d biến dòng điện tải gây ra) 12 Hiệu suất chỉnh lưu: η = r = Pd , Pd công suất nhận phía Pv chiều, Pv công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế Để thiết kế BCL hoàn chỉnh cần biết trước số liệu yêu cầu kỹ thuật sau: 1.1.3.1 Các số liệu yêu cầu nguồn xoay chiều cấp cho BCL Giá trị định mức điện áp xoay chiều: Uđm (V) Số pha nguồn Tần số lưới (Hz) Độ dao động điện áp nguồn: ∆U Độ dao động tần số ∆f Độ đối xứng pha Độ méo điện áp nguồn Sụt áp đột biến lớn nhất: ∆Umax thời gian tồn sụt áp 1.1.3.2 Các số liệu yêu cầu từ phía tải chỉnh lưu Điện áp tải định mức (Giá trị trung bình): Udđm Phạm vi điều chỉnh điện áp độ trơn điều chỉnh Phạm vi biến thiên dòng điện tải: Itmin Itmax Quy luật thay đổi dòng điện tải(nhanh, chậm, đột biến…) Dao động điện áp cho phép ∆Uracp điện áp nguồn thay đổi phạm vi tối đa Nội trở nguồn chỉnh lưu hay ∆Ura dòng tải biến thiên từ Itmin Itmax Tổng sai số điện áp cho phép tác động tất yếu tố ảnh hưởng đến Điện trở động nguồn hay (hay đặc tính tần số) Điều kiện môi trường làm việc chỉnh lưu: nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, độ va đập… 10 Độ tin cậy chỉnh lưu, hệ số dự phòng 11 Độ xác điều chỉnh 12 Phương pháp làm mát CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 13 An toàn lao động (đầu chỉnh lưu nối với vỏ hay phải cách li vỏ) 14 Vấn đề bảo vệ áp cho tải 15 Các mạch tín hiệu hóa cần có 16 Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn 17 Các yêu cầu kích thước trọng lượng thiết bị 18 Phương thức theo dõi kiểm tra điện áp dòng điện tải 19 Hiệu suất thiết bị 20 Hệ số đập mạch điện áp (hay dòng điện) tải cho phép 21 Ngoài có đòi hỏi không đề cập yêu cầu kỹ thuật Song người thiết kế bắt buộc phải thực (như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ cố, phần thị trạng thái thiết bị…) Mặt khác nhiều người thiết kế phải tự xác định đưa số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng không nắm không hiểu hết vấn đề kỹ thuật đặt 1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hưởng phụ tải khác chung nguồn với nó, hay biến động hệ thống cung cấp điện đem tới Mặt khác tải có ảnh hưởng đáng kể tới BCL Vì cần biết điều tiên liệu giải pháp phù hợp thiết kế 1.2.1 Ảnh hưởng điện áp nguồn Điện áp nguồn thường có độ dao động quy chuẩn 5%, nhiên thực tế nhiều khu vực có độ dao động điện áp lớn nhiều lên tới +10% -20% Độ dao động điện áp ảnh hưởng trực tiếp rõ rệt đến điện áp mạch chỉnh lưu có tác động thêm yếu tố sau: Sụt áp dây dẫn nguồn Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số mức điện áp Các mạch chỉnh lưu có nội trở định, nguồn biến động dẫn đến điện áp thay đổi làm dòng tải biến thiên, điện áp nội trở thay đổi tác động trở lại điện áp Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đổi Vì điện áp nguồn ổn định, không thay đổi yếu tố làm điện áp sai lệch từ 3% đến 15% Nếu cộng thêm ảnh hưởng nguồn sai số lên tới 10% đến 20% CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 - Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp thông qua điều khiển điện áp chiều cách đưa thêm băm xung chiều sau chỉnh lưu diode lọc Đôi băm xung chiều dùng để tăng điện áp (băm xung kiểu song song) cho trường hợp nguồn xoay chiều thấp giá trị cần có B Nghịch lưu độc lập dòng điện đòi hỏi nguồn dòng chiều, sau chỉnh lưu cho phép nhận điện áp dòng, để chuyển đổi thành nguồn dòng buộc phải thực đồng thời hai biện pháp: Sử dụng lọc điện cảm với giá trị lớn để làm độ đập mạch dòng điện nhỏ, tương ứng dòng không đổi tức có nguồn dòng Tuy nhiên điện cảm lọc không cho phép ổn định điều chỉnh dòng ra, cần biện pháp thứ hai Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnh lưu theo biến động tải nguồn hệ thống kín với phản hồi dòng điện để đảm bảo vừa điều chỉnh dòng theo yêu cầu công nghệ, vừa ổn định dòn chống biến động Như biến tần dùng nghịch lưu dòng điện có cấu trúc hình 4.2b, lưu ý trạng thái không tải với nguồn dòng cấm (trạng thái cố) nên biến tần hoạt động nối tải C Nghịch lưu độc lập cộng hưởng, hoạt động với nguồn áp hay nguồn dòng nói chung thường sử dụng chỉnh lưu điều khiển NLĐL cộng hưởng hay ứng dụng cho thiết bị gia nhiệt tần số nên thường sử dụng loại pha a) b) Hình 4.2 Các cấu trúc biến tần theo nghịch lưu độc lập CEA TĐH-NĐ 141 4.1.2.2 Biến tần trực tiếp Biến tần loại dùng chỉnh lưu điều khiển, sử dụng cấu trúc nguyên lý hoạt động khác thể hình 4.4 Hình 4.3 Cấu trúc biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau: • Dùng hai chỉnh lưu loại, đầu đấu ngược cực tính • Mỗi chỉnh lưu đảm nhận dấu điện áp cho hai chạy tạo thành điện áp hai dấu (xoay chiều) đầu Sử dụng nguyên tắc đạt hiệu suất cao không cần biến đổi lượng hai lần, nhiên loại có số nhược điểm như: tần số phụ thuộc tần số nguồn, điều chỉnh tần số trơn khó khăn, số lượng van lớn, muốn đạt tiêu chất lượng tốt biến tần gián tiếp toàn hệ thống (cả lực điều khiển) phức tạp NLĐL biến tần sử dụng rộng rãi lĩnh vực cung cấp điện, hệ điều khiển tốc độ động điện xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim, biến đổi cho nguồn lượng 4.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 4.2.1 Mạch lực NLĐL điện áp pha dùng: sơ đồ cầu hình 4.4a, bán cầu hình 4.4b sơ đồ hình tia 4.4c, nhiên dạng điện áp tham số chúng nhau, sau xét sở sơ đồ cầu 4.4a CEA TĐH-NĐ 142 a) b) c) Hình 4.4 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp pha NLĐL cầu pha có sơ đồ đấu van hoàn toàn giống băm xung chiều đảo chiều với phương pháp điều khiển đối xứng: van hoạt động theo cặp Tr1, Tr2 Tr3, Tr4; khác biệt hai cặp van dẫn khoảng thời gian nửa chu kỳ điện áp Như coi NLĐL điện áp pha trường hợp riêng BXMC điều khiển đối xứng, điện áp dạng xung chữ nhật với giá trị ±E hình 4.5a Điện áp thỏa mãn điều kiện điện áp xoay chiều tuần hoàn là: • Điện áp có hai dấu dương âm, • Giá trị trung bình không, • Sau nửa chu kỳ có giá trị ngược dấu: u(t) = -u(t+T/2), • Sau chu kỳ lặp trạng thái: u(t) = u(t+T) Hình 4.5 Đồ thị làm việc nghịch lưu điện áp pha CEA TĐH-NĐ 143 4.2.2 Bộ lọc tần số đầu nghịch lưu Tải công suất sử dụng phương pháp lọc tần số hiệu kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng khuếch đại thuật toán OA Với dòng tải lớn điện áp cao lọc phải thực phần tử thụ động L C, điều dẫn đến tổn thất công suất tránh khỏi, làm giảm hiệu suất hệ thống; mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị Hơn hiệu lọc tần lọc thụ động không cao, nhược điểm lọc thụ động Về nguyên tắc, lọc thụ động phần tử nối tiếp hay song song tải với tổng trở Znt Z// hình 4.6a Từ thấy nguyên lý chung để thực lọc là: • Phần tử mắc nối tiếp với tải (hình 4.6b) hình thành chia áp theo tỉ lệ tương quan tổng trở chúng, tổng trở lớn điện áp lớn, cần: - Với tần số sóng hài mong muốn Znt > Ztải , để điện áp với tần số rơi chủ yếu Znt, tức giữ lại khâu lọc • Với phần tử mắc song song với tải (hình 4.6c) hình thành chia dòng theo tỷ lệ tương quan chúng, tổng trở nhỏ dòng rẽ nhánh qua nhiều, cần: - Với tần số sóng hài mong muốn Z// >> Ztải , tốt Z//= ∞ (cộng hưởng tần số bản), lúc toàn dòng sóng đưa tải - Với thành phần bậc cao ngược lại Z// 0,528 lượng điện cảm trao đổi pha tải mà không trả nguồn lúc dòng nguồn iE không đảo chiều (hình 4.11b) Chỉ cosφ < 0,528, dòng nguồn iE đảo chiều, nguồn nhận lượng từ điện cảm tải cần phải có tụ điện nhận lượng nguồn chiều chỉnh lưu b) Năng lượng điện cảm tải không trả nguồn, chạy quẩn pha tải, trường hợp cosφ > 0,528 Hình 4.11 Đồ thị điện áp nghịch lưu độc lập ba pha tải đấu λ=180o a) Nguyên lý tạo điện áp ba pha 4.3.2 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha Có thể áp dụng phương pháp SPWM đề cập với loại nghịch lưu độc lập pha cho loại ba pha, nhiên nguồn ba pha đòi hỏi hệ điện áp phải đối xứng tốt phạm vi định tham số tải biến đổi giá trị độ đối xứng pha, điều CEA TĐH-NĐ 148 thực không đơn giản NLĐL ba pha hoạt động pha ảnh hưởng lẫn 4.3.2.1 SPWM sơ đồ bán cầu Sơ đồ hình 4.12a sử dụng mạch bán cầu theo mạch pha cần hai nguồn có điểm Vì nguồn chiều tạo nhờ chỉnh lưu nên cần hai tụ điện đầu vào, sơ đồ có tên gọi NLĐL điện áp ba pha có tụ chia nguồn Cũng có điểm nguồn mà van pha (hai van thẳng hàng) hoạt động hoàn toàn không bị ảnh hưởng pha khác, tức làm việc giống với sơ đồ pha điện áp tải có dạng tương tự mạch pha (hình 4.12b) Cần lưu ý tính toán điện áp van phải chịu 2E a) Sơ đồ mạch bán cầu b) Giản đồ điện áp Hình 4.12 Nghịch lưu điện áp ba pha với phương pháp SPWM cho mạch bán cầu 4.3.2.2 SPWM sơ đồ cầu ba pha kinh điển Mạch cầu sử dụng sơ đồ hình 4.13a, mạch hoạt động với tải đấu hay tam giác Tuy nhiên chạy phương pháp SPWM làm thay đổi dạng điện áp so với trường hợp van đóng ngắt lần chu kỳ Đồ thị điện áp pha tải điện áp dây tải thể hình 4.13b CEA TĐH-NĐ 149 a) Sơ đồ mạch cầu b) Giản đồ điện áp Hình 4.13 Nghịch lưu điện áp ba pha với phương pháp SPWM cho sơ đồ mạch cầu 4.4 Điều khiển nghịch lưu Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu hình 4.14 gồm khâu với chức cụ thể là: • Phát xung chủ đạo, để tạo tín hiệu đồng cho toàn hệ thống có tần số tỉ lệ với sóng hài với điện áp • Bộ phân phối tín hiệu xung vào van lực riêng biệt theo thứ tự làm việc chúng theo nguyên lý hoạt động • Khâu xác định khoảng dẫn cho van thực theo phương pháp điều khiển cụ thể • Bộ khuếch đại xung: tăng đủ công suất để đóng/mở van lực Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp CEA TĐH-NĐ 150 Trong cấu trúc có hai khâu xem xét hướng dẫn tính toán tiết chương thiết bị băm xung chiều, khâu phát xung chủ đạo khuếch đại xung, mạch đệm van lực hoàn toàn tương tự Vì sau đề cập hai khâu phân phối xung xác định khoảng dẫn van 4.4.1 Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản Các NLĐL đơn giản van mạch lực dẫn toàn nửa chu kỳ điện áp ra, tức không dùng phương pháp đóng ngắt van nhiều lần khoảng van dẫn 4.4.1.1 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp pha Mạch điều khiển cho loại gồm khâu tạo dao động chữ nhật cho điện áp Ufx có dạng đồ thị 4.15b, sau qua khâu chia tần đảm bảo khoảng dẫn van hoàn toàn trái pha Trước khuếch đại công suất cần phải tạo trễ mở để chống tượng ngắn mạch hai van thẳng hàng a) b) Hình 4.15 Điều khiển nghịch lưu điện áp pha Với chức nhưu vậy, mạch điều khiển loại thực dễ dàng nhờ áp dụng kỹ thuật xung – số đơn giản, khâu tạo dao động dùng mạch khảo sát chương 3, chia tần sử dụng mạch trigơ (Flip Flop) chế độ đếm nhị phân Lưu ý tần số dao động gấp đôi tần số điện áp Hình 4.16 ví dụ mạch điều khiển nghịch lưu độc lập pha, khâu dao động dùng IC555 với tần số hiệu chỉnh điều chỉnh nhờ biến trở P1, chia tần dùng J-K Trigơ Khâu trễ mở dùng IC logic khuếch đại xung sử dụng Driver chuyên dụng Phụ tải để đặc trưng phần tử RL, trước đưa tải cần dùng mạch lọc tần số, tần số không đổi thay đổi phạm vi hẹp dùng khối lọc cộng hưởng, tần số thay đổi rộng phải dùng khối lọc đơn giản, hình 4.16 sử dụng mạch lọc đơn giản mắc song song tụ lọc CEA TĐH-NĐ 151 Hình 4.16 Nghịch lưu độc lập điện áp pha 4.4.1.2 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp ba pha Điều khiển nghịch lưu ba pha khác loại pha khâu phân phối xung, khối chức lại hoàn toàn tương tự Do sau đưa sơ đồ ví dụ cho khâu phân phối xung hình 4.17a, sử dụng ba J-K trigơ đấu không theo kiểu chia tần, đầu vào trigơ lấy trực tiếp từ đầu trigơ khác nên đầu J K trạng thái logic ngược (xem hình 4.17b) hoạt động dòng thứ hai thứ ba Để mạch hoạt động cần phải đặt trước trigơ vào trạng thái làm việc thông qua cổng Reset (R) Set (S) xung chuẩn bị khởi động Ví dụ mạch cho trigơ trạng thái ban đầu Q1=0, Q2=0, Q3=1.Sau với nhịp khâu phát xung tác động vào cửa Clock (Clk) tùy thuộc mức logic đầu vào J-K mà đầu trigơ có mức tương ứng bảng trạng thái Phân tích vây có đồ thị làm việc phân phối xung hình 4.17c CEA TĐH-NĐ 152 a) b) c) Hình 4.17 Phân phối xung cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha với λ=180o Nếu so sánh đầu trigơ với qui luật dẫn van sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha, dễ dàng thấy rằng: • Đầu trigơ thứ ba theo luật van Tr1, tức Q1=Tr1; tương tự Q2=Tr3, Q3=Tr5 • Mặt khác với luật điều khiển với góc dẫn 180o van pha (một nhánh thẳng hàng) làm việc ngược pha nhau, suy ra: Tr4 = Q1 , Tr6 = Q2 , Tr2 = Q3 • Cần phải đưa thêm mạch trễ cho nghịch lưu độc lập điện áp hai van pha 4.4.2 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp với phương pháp SPWM Để thực phương pháp SPWM hợp lý sử dụng kỹ thuật số, tần số thay đổi phạm vi rộng, lúc mạch điều khiển đồng hóa nhờ xung nhịp chung cho toàn hệ thống chức điều khiển thực đơn giản chương trình phần mềm Tuy nhiên đề cập nguyên lý SPWM sử dụng kỹ thuật tương tự hạn chế nghịch lưu với tần số không đổi để làm rõ nguyên tắc điều khiển chung CEA TĐH-NĐ 153 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển SPWM hai cực tính có dạng hình 4.18, dao động hình sin với tần số tần sooso tạo xung đồng cho khâu tạo xung tam giác hai cực tính, điều cần thiết để tránh tượng trôi pha điện áp Để thay đổi hệ số điều chế biên đô “ma” thường tác động vào biên độ xung tam giác, dễ điều chỉnh hơn, biên độ dao động hình sin khó điều chỉnh trực tiếp dễ gây ảnh hưởng tới điều kiện dao động Tuy nhiên có cách đơn giản để điều chỉnh “ma” cách sử dụng khâu so sánh có tổng trở vào lớn, lúc dùng biến trở trích áp để thay đổi mức điện áp đưa vào so sánh Các khâu so sánh trễ khuếch đại xung thay đổi so với mạch điều khiển kinh điển Hình 4.18 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập kiểu SPWM Hình 4.19 ví dụ mạch điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp theo phương pháp SPWM, đó: • Mạch dao động hình sin dùng sơ đồ cầu Viên có tần số ω=1/RC, nhiên mạch đơn giản thường hoạt động không ổn định, thực tế mạch phức tạp phải giải vấn đề tự động ổn định tần số biên độ điện áp • Khâu tạo xung tam giác mạch chuẩn, có gài công tắc điện tử “sw” điều khiển xung đồng xuất vào đầu chu kỳ điện áp hình sin • Khâu so sánh hai điện áp hình sin tam giác cho đầu điện áp PWM để điều khiển van lực • Hệ số điều chế biên độ điều chỉnh nhờ biến trở P1 • Các khâu trễ Drive đề cập phần băm xung chiều CEA TĐH-NĐ 154 Hình 4.19 Nghịch lưu độc lập điện áp pha điều khiển kiểu SPWM CEA TĐH-NĐ 155 [...]...Khi sử dụng các mạch chỉnh lưu ba pha, độ mất đối xứng của điện áp nguồn sẽ làm xuất hiện thêm sự sai lệch điện áp ra, mặt khác còn làm tăng thêm độ đập mạch Với các bộ chỉnh lưu công suất lớn ( 100 kW) lại ở xa trạm biến thế cần cố gắng sử dụng cấp điện áp nguồn cao hơn để giảm chi phí về dây dẫn Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điện công suất công suất lớn cần chú... một pha: cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm Ampe), mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi Hình... hoạt động do tác động của mạch bảo vệ hay các phần tử khống chế (như rơle, công- tắc-tơ bị nhả ra) Như vậy ta cần thiết kế mạch tác động trễ để tránh hiện tượng này Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xung điện áp trong thời gian ngắn (thường không quá vài giây), tuy nhiên nó có thể phá hỏng các phần tử nhập áp như các van bán dẫn, tụ điện hoặc đánh thủng cách điện giữa các cuộn sơ cấp... lưới điện ba pha; - Hệ số đập mạch rất nhỏ (5,7%); - Công suất máy biến áp cũng xấp xỉ công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn các loại trên Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V Do có nhiều ưu điểm vượt trội như đã nêu, chỉnh lưu cầu ba pha được ứng dụng rộng rãi với dải công suất. .. áp nguồn Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn Pd – công suất một chiều trên tải ∆Uγ – sụt áp do điện cảm phía xoay chiều La gây ra ∆Uγ=kγ2πf.LaId mđm – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 13 fđm – tần số sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu theo quan hệ: fđm=mđmf1, trong đó f1 là tần số lưới điện xoay chiều... lưu hình tia hai pha (hình 1.2b) Mạch này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ Với cấp điện áp dưới 100V vào dòng tải không lớn hơn vài ampe thường dùng lọc bằng tụ điện Trường hợp dùng kiểu lọc điện cảm thì dòng điện tải cho phép tăng đến hàng chục ampe Loại chỉnh lưu này chiếm ưu thế so với chỉnh lưu sơ đồ cầu khi điện áp ra tải thấp dưới 10V, do sụt áp trong mạch van thấp hơn Nhược điểm chính... biến áp nguồn để tạo điểm giữa cho mạch hoạt động được, mặt khác công suất máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất một chiều cần thiết của tải Hình 1.5 là đồ thị minh họa hoạt động của các dạng tải, Ig là các xung dòng điện đưa vào cực điều khiển của các thyristor ở thời điểm góc α quy định, xung của hai van cách nhau đúng một nửa chu kỳ điện áp nguồn (1800 điện) - Với dạng tải thuần trở (hình... của mạch chỉnh lưu Đặc biệt là khi có mạch lọc LC và lại rơi vào chế độ mà tần số xung dòng điện bằng tần số dao động riêng của mạch LC sẽ dẫn đến điện trở động lớn hơn rất nhiều so với nội trở tĩnh Ngoài ra mạch lọc loại này cũng sẽ làm xuất hiện các biến động điện áp khi đóng và ngắt tải 1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong bộ chỉnh lưu có khá nhiều phần tử chịu ảnh hưởng của nhiệt độ: tụ hóa, điện. .. nhiệt trên các phần tử …sao cho các linh kiện và các phần tử không làm việc ở gần mức giới hạn cho phép về nhiệt Thông thường các linh kiện có độ dự trữ tối thiểu sau: • Điện trở phải có độ dự trữ 1,5 về công suất phát nhiệt • Tụ điện phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp • Van bán dẫn phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp Với môi trường nhiệt đới cần phải tăng độ dự trữ cao hơn nữa 1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN... thực hiện mạch đồng bộ khá là đơn giản Mặt khác, do hoạt động của các dạng này gắn chặt với khâu điện áp tựa phía sau, nên sẽ được phân tích để tính toán đồng thời khi xem xét khâu tạo điện áp tựa Dưới đây chỉ trình bày mạch xung nhịp đồng bộ hai nửa chu kỳ xung nhịp ngắn 1.7.2.1 Mạch kết hợp chỉnh lưu với với transistor a) b) Hình 1.20 Mạch tạo xung nhịp đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và transistor Mạch chỉnh