LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất có tên gọi “Kỹ thuật biến đổi điện năng” ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn biến đổi để không chế biến đổi nguồn lượng điện Điện tử công suất ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành cơng nghiệp đại Có thể kể đến ngành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công suất như: truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, q trình điện phân cơng nghiệp hóa chất, nhiều thiết bị cơng nghiệp dân dụng khác Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến dổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng Trong biến đổi điện tử công suất không nhắc đến nghịch lưu điện áp Các biến đổi ngày ứng dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm lượng Đây đề tài đồ án này: “Thiết kế nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số không đổi” Bản báo cáo chúng em gồm chương lớn:  Chương 1: Tổng quan nghịch lưu  Chương 2: Một số phương án thiết kế mạnh lực  Chương 3: Thiết kế mạnh lực  Chương 4: Thiết kế mạch điều khiền  Chương : Kiềm chứng Mô CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU Sự cần thiết nghịch lưu Điều khiển động điện nhiệm vụ quan thiết kế truyền động điện Động thiết kế ln ln có tần số điện áp định mức Ở tần số điện áp định mức, động vận hành với hiệu suất thiết kế tổn hao động nhỏ nhất, đem lại giá trị kinh tế lớn Khi vận hành trị số định mức khả điều chỉnh tốc độ động thấp động khơng cho phép thay đổi nhiều khả phát nóng máy Trong truyền động điện yêu cầu điều chỉnh thường xuyên đặt ngày yêu cầu độ xác điều khiển Khi muốn điều chỉnh tốc độ ngồi định mức số thơng số động phải thay đổi để đảm bảo điều kiện vận hành lâu dài Phương pháp ứng dụng điều khiển điện áp đặt vào động cố định tần số dòng điện điện áp lưới Phương pháp tỏ hiệu với động công suất lớn khả điều chỉnh tốc độ cao, điện áp động thay đổi không lớn so với định mức Một số phương pháp thông thường để thay đổi điện áp đặt vào động áp dụng điều khiển động cơ: + Đặt điện áp hình sin trị số thấp định mức vào động Phần điện áp chênh lệch điện áp lưới điện áp đặt vào động đặt lên thiết bị tiêu tán, thông thường cuộn kháng Ưu điểm phương pháp điện áp đặt lên động hình sin khơng tồn sóng hài động cơ, không gây tiếng ồn Nhược điểm phương pháp gây tổn hao cuộn kháng, yêu cầu tốc độ thấp so với định mức tổn hao lớn + Đặt điện áp không sin thấp định mức lên động cơ: Phương pháp gọi điện áp xoay chiều Quá trình thay đổi điện áp đặt lên động cách cấp điện áp không liên tục cho động điện áp hiệu dụng động thay đổi Khi điện áp hiệu dụng động thay đổi tốc độ động thay đổi theo, ta điều khiển tốc độ động Ưu điểm phương pháp không gây tổn hao thiết bị dùng để tiêu tán phần điện áp chênh lệch điện áp lưới điện áp đặt lên động Nhược điểm phương pháp tăng tổn hao động Khi dòng điện khơng liên tục gây sóng hài động cơ, sóng hài gây tổn hao động Ở tốc độ gẩn khơng điều khiển tổn hao sóng hài động lớn Từ hai phương pháp điều khiển tốc độ động ta thấy: Khi động yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ lớn, đặc biệt yêu cầu điều chỉnh tốc độ tổn hao tăng hiệu kinh tế thấp Chính phương pháp điều chỉnh tốc độ động tần số định mức không đáp ứng với truyền động điện yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ Một số phương pháp khác đưa để điều chỉnh tốc độ động đạt hiệu cao kinh tế điều khiển tần số điện áp đặt vào động Điện áp lưới không đặt trực tiếp vào động mà gián tiếp qua thiết bị biến đổi, thiết bị biến đổi thay đổi tần số điện áp động để đạt giá trị mong muốn tốc độ Thiết bị thay đổi tần số điện áp đặt vào động gọi với tên chung nghich lưu Bộ nghich lưu đưa động hoạt động từ thông số định mức sang thông số định mức khác để đảm bảo điều chỉnh tốc độ xác giảm tổn hao đem lại hiệu kinh tế cao Bộ nghịch lưu thơng thường chia làm hai loại chính: + Bộ nghịch lưu trực tiếp: Điện áp lưới tần số công nghiệp biến đổi trực tiếp thành số khác tần số lưới cung cấp cho động Tần số nghịch lưu thấp tần số lưới + Bộ nghịch lưu gián tiếp: Điện áp lưới trước cung cấp cho tải chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp chiều sau biến đổi trực tiếp thành điện áp xoay chiều cung cấp cho tải Tần số nghich lưu biến đổi từ đến tần số định mức nghịch lưu 1.2 Nguyên tắc hoạt động nghịch lưu 1.2.1 Bộ nghịch lưu trực tiếp Bộ nghịch lưu trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch song song nối ngược hình vẽ (hình 1.1) Trên đồ thị dạng sóng nghịch lưu ta thấy công suất tức thời nghịch lưu bao gồm bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp dòng điện nghịch lưu dương, nghịch lưu lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng lại ta có tích điện áp dòng điên nghich lưu âm nên nghich lưu biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới Hình 1.1: Bộ nghịch lưu trực tiếp tổng quát a, Nguyên lý làm việc nghịch lưu trực tiếp Để thấy nguyên lý hoạt động, ta xét mạch hoạt động nghịch lưu hình vẽ (hình 1.2a) Đầu vào nghịch lưu điện áp xoay chiều pha, đầu phụ tải pha trở Nhóm chuyển mạch nối theo sơ đồ hai pha nửa chu kỳ Nhóm chuyển mạch dương ký hiệu chữ P(Position), nhóm âm ký hiệu chữ N(Negative) Dạng sóng dòng điện vẽ hình (hình 1.2b), cụm P dẫn nửa chu kỳ điện áp thyristor mồi khơng có trễ, điều có nghĩa coi P chỉnh lưu diode.Trong năm nửa chu kỳ sau có nhóm N dẫn để tổng hợp phần điện áp âm nủa chu kỳ điện áp Theo dạng sóng điện áp biểu diễn hình 1.2b tần số điện áp 1/5 tần số điện áp vào Dạng sóng điện áp gần với dạng sóng điện áp hình chữ nhật có chứa số lượng lớn thành phần sóng hài Hình 1.2c biểu diễn khoảng dẫn van bán dẫn dòng điện nguồn cấp Ta thấy dòng điện chảy qua van bán dẫn 1/2 sóng hình sin dòng điện nguồn cấp hồn tồn sin Việc điều khiển van bán dẫn khơng mang lại hiệu cao điều khiển, sóng điện áp có độ sin khơng cao Muốn sóng có dạng sin cao phải điều khiển thay đổi khoảng dẫn van thay đổi theo quy luật định Hình 1.2d biểu diễn gần sóng hình sin tổng hợp cách điều khiển thời điểm mồi thyristor Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu điểm dạng sóng Phương pháp với việc điều chỉnh pha làm giảm điều hòa bậc cao dạng sóng điện áp đầu với dạng sóng điện áp cho trước Theo dạng sóng dòng điện hình 1.2e dòng điện mang nhiều thành phần đập mạch ứng với tần số nguồn, dòng điện mạch bị biến dạng nhiều b, Luật điều khiển nghịch lưu trực tiếp Để thuận tiện việc xem xét luật điều khiển nhóm chỉnh lưu, nghịch lưu ta gọi góc mở nhóm α Góc α phải điều khiển cho trị số điện áp trung bình khoảng nhóm hợp thành dạng sóng tức thời nghịch lưu có dạng mong muốn Thơng thường mạch điều khiển ta thường điều khiển theo hàm arccos nên giá trị góc α phải biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian voiwd chu kỳ điện áp nghịch lưu Hình 1.3: Nghịch lưu trực tiếp có cấp điện cho tải pha Dạng sóng biểu diễn hình 1.3 vẽ trường hợp biên độ lớn điện áp đạt Cho nhóm dương làm việc để có điện áp cực đại, dạng sóng ứng điện áp với góc mở Chuyển mạch phải thỏa mãn giá trị cho điện áp đạt giá trị mong muốn Các giao điểm sóng sin chuẩn(dạng điện áp đầu mong muốn) với sóng cosin vẽ với cực đại thời điểm góc mở xác định thời điểm kích mở Thyristor Hình vẽ (hình 1.3) biểu diễn đầu nhóm dương Ta cần phải ý chế độ chỉnh lưu góc mở van bán dẫn nhỏ 90o (góc mở α P1) chế độ nghịch lưu, nửa chu kỳ âm, góc mở phải lớn 90o ( góc mở C P2), góc β P2 góc mở vượt trước lay mở nhanh Quá trình xác định hoạt động nhóm âm tiến hành tương tự Trong q trình mở van tiến hành cho mở sớm để trình chuyển mạch kết thúc sớm Để giảm điện áp đầu ta tiến hành giảm biên độ sóng sin chuẩn giá trị mong muốn Quá trình giảm điện áp liền với thành phần sóng hài dòng điện tăng lên 1.2.2 Bộ nghịch lưu gián tiếp Bộ nghich lưu trực tiếp có ưu điểm đưa cơng suất lớn đầu có số nhược điểm sau: + Chỉ cho điện áp có tần số nhỏ tần số điện áp lưới + Khó điều khiển tần số nhỏ tổn hao sóng hài động lớn + Độ xác điều khiển khơng cao + Sóng điện áp đầu khơng thực gần sin Chính đặc điểm mà số loại nghịch lưu khác đưa để nâng cao chất lượng cung cấp nguồn nghịch lưu gián tiếp Bộ nghịch lưu gián tiếp cho phép khắc phục nhược điểm nghich lưu trực tiếp Trong nghịch lưu gián tiếp trước nghịch lưu điện áp lưới chỉnh lưu thành điện áp chiều chỉnh lưu diode chỉnh lưu có điều khiển Điện áp chiều qua lọc để cung cấp cho nghịch lưu nguồn điện áp chiều tương đối ổn định cho mạch nghịch lưu  Nguyên lý hoạt động nghịch lưu gián tiếp Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50/60 Hz) chỉnh lưu thành nguồn chiều nhờ chỉnh lưu (CL) không điều khiển ( chỉnh lưu diode) chỉnh lưu có điều khiển ( chỉnh lưu thyristor), sau lọc nghịch lưu (NL) biến đổi thành điệp áp xoay chiều có tần số thay đổi 1.2.3 Bộ nghịch lưu nguồn điện áp chỉnh lưu có điều khiển a, Bộ nghịch lưu pha Điện áp xoay chiều tần số cơng nghiệp sau qua chỉnh lưu có điều khiển tụ C lọc thành nguồn áp cung cấp cho mạch nghịch lưu Sơ đồ nghịch lưu pha có điểm có sơ đồ ngun lý hình 1.4 Nối điện áp chiều vào nửa dây quấn sơ cấp máy biến áp, cách đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp máy biến áp có dạn hình chữ nhật cung cấp cho động Tụ điện C có vai trò giúp thyristor chuyển mạch Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược chở lại nguồn trinh chuyển mạch van bán dẫn Hình 1.4: Sơ đồ nghịch lưu điểm thay đồ thị dòng điện vòng Khi thyristor dẫn nhiệt, điện áp nguồn chiều E đặt vào nửa cuộn dây sơ cấp Điện áp tổng cộng 2E nạp cho tụ C Mở thyristor làm khóa thyristor trước nhờ trình chuyển mạch qua tụ mắc song song Trong trường hợp máy biến áp lý tưởng, sức từ động máy biến áp cân Trong thực tế, điện áp chiều hai đầu dây quấn trì từ thơng biến thiên, cần có dòng điện từ hóa ban đầu Để cải thiện dạng sóng điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn phần tử cách thích hợp cho tránh phần nằm ngang điện áp, nghĩa kích mở thyristor gần thời điểm dẫn thyristor khác, làm cho điện áp tải có trị số cực đại Nếu tải khơng phải tải điện trở tải điện cảm, dòng điện tải tăng lên lại giảm Khi thyristor T1 dẫn dòng điện chảy từ c đến a, c dương so với a tải nhận dòng điện chảy từ c tới a Khi thyristor T mở để đổi chiều điện áp thyristor T bị khóa dòng điện tải khơng thể đổi chiều đột ngột, dòng điện sơ cấp khơng thay đổi điện áp dòng điện có lệch pha Khi T1 khóa , có dòng điện chảy từ d đến c qua D nạp trở lại nguồn chiều Trong D2 dẫn, thyristor T2 bị khóa ( thời điểm chuyển mạch kết thúc) điện điểm d âm so với c Vì cơng suất từ tải đưa trở lại nguồn chiều Ở thời điểm t2 dòng điện tải triệt tiêu Diode D2 ngừng sẫn thyristor T2 trở lại dẫn dòng làm ngược chiều dòng điện tải, tải trở thành nguồn điện Để đảm bảo thyristor T chắn dẫn thời điểm t2, ta phải kích mở theo nguyên tắc chùm xung Quá trình diễn tương tự cho thyristor T1 Ta phối hợp diode đầu bên phía sơ cấp máy dẫn tới tổn hao lượng chuyển mạch cuộn dây lọc nguồn Sự phối hợp diode gần đầu dây quấn cho phép lấy lại lượng tích lũy cuộn dây sau chuyển mạch làm giảm tổn hao mạch Ta xét tải có tích điện dung dòng điện qua diode thời điểm t t4 trước thyristor làm đổi chiều điên áp Trong trường hợp tổng quát sóng điện áp dòng điện khơng phải sin hồn tồn, ta xét sóng điện áp trường hợp đơn giản Mạch nghịch lưu nửa cầu Hình 1.5: Sơ đồ khối nghịch lưu gián tiếp Tải mạch nghịch lưu thơng thường mang tính cảm nên sơ đồ có thêm hai diode ngược đấu song song với Transistor tương ứng, nhằm ngăn ngừa điện áp lớn xuất cực transistor đóng cắt dòng tải Q trình dẫn van bán dẫn thấy đơn giản qua đồ thị dòng điện điện áp đầu nghich lưu Ưu điểm sơ đồ cấu trúc điều khiển đơn giản, tốn van bán dẫn Nhược điểm sơ đồ khả đáp ứng công suất lớn không cao Mạch nghịch lưu cầu Hình 1.6: Sơ đồ khối nghich gián tiếp Nếu tải hình 1.6a tải trở, việc mồi thyristor T 1, T2 T3, T4, điện áp chiều đặt lên hai cực tải theo hai chiều tạo nên sóng hình chữ nhật Trong trường hợp tải điện cảm, dòng điện chậm pha so với điện áp điện áp dạng hình chữ nhật Dạng sóng biểu diễn hình 1.6c vẽ trường hợp tải mang tính chất điện cảm Các thyristor mồi xung chùm liên tục khoảng 180 o điện áp nghịch lưu Cuối nửa chu kỳ dương điện áp, dòng điện tải dương tăng theo hàm số mũ, thyristor T3 T4 mồi để khóa thyristor T1 T2 điện áp đổi chiều, dòng điện tải khơng đổi chiều Mạch để dòng điện tải chạy qua qua diode D3 D4 Nguồn điện chiều nối với tải theo điện áp ngược với điện áp ban đầu cung cấp nguồn cho tải, dòng điện tải tăng theo hàm số mũ Vì thyristor yêu cầu phải mồi lúc sau dòng điện tải triệt tiêu, nên cần phải đưa xung chùm vào cực điều khiển khoảng 180o dẫn van Từ nguồn chiều điện áp cố định ta điều chỉnh điện áp theo hình chữ nhật cách kích mở thyristor T T4 trước thyristor T2 T3 Trên hình 1.6c biểu diễn góc góc vượt trước Hay nói cách khác chùm xung đưa vào T1 T vượt trước góc φ so với đưa vào T2 T3 Dạng sóng hình 1.6c, thời điểm thyristor T4 kích mở để khóa T1, dòng điện tải chảy qua diode D4 thyristor T2 dẫn nên dòng tải chảy qua D4 T2 làm ngắn mạch tải triệt tiêu điện áp tải Khi thyristor T kích mở thyristor T2 bị khóa dòng điện chảy qua diode D3 làm đổi chiều điện áp nối với nguồn Các thyristor T3 T4 bắt đầu dẫn dòng điện tải triệt tiêu Các dòng điện qua thyristor diode khơng giống Hình 1.7 ta có cách khác để nhận sóng gần hình chữ nhật có bề rộng thay đổi cách phối hợp (cộng) đầu lệch pha hai nghịch lưu sóng hình chữ nhật Bộ nghịch lưu hai lệch pha với nghịch lưu một góc φ tạo nên điện áp chung có khoảng điện áp khơng có độ rộng φ Điện áp đầu điều chỉnh cách giảm điện áp chiều đặt vào nghịch lưu b, Bộ nghịch lưu ba pha Mạch công suất nghịch lưu cầu ba pha sử dụng thyristor trình bày hình vẽ (hình 1.7), q trình chuyển mạch q độ bỏ qua trường hợp đơn giản Dạng sóng điện áp đầu trình bày hình Hình 1.7: Bộ nghịch lưu cầu ba pha Bộ nghịch lưu bao gồm ba nửa cầu, nửa cầu bao gồm hai transistor cao thấp, transistor đóng cắt biến đổi khoảng thời gian 180 o Mỗi nửa cầu dịch pha 120o dạng sóng cân ba pha trình bày (hình 1.8) Nguồn DC có trung tính giả, mục đích trung tính giả làm thuận lợi cho ta dạng sóng đầu nghịch lưu, thực tế trung tính khơng có thật Điện áp DC có từ chỉnh lưu cầu mạch lọc LC để có nguồn áp tương đối lý tưởng Dạng song điện áp đầu nghịch lưu xác định dạng mạch điện phương pháp đóng cắt mà khơng phụ thuộc vào dạng tải Dạng sóng nhiều thành phần sóng hài bậc cao, dòng điện tương đối phẳng, điều có ảnh hưởng hiệu ứng lọc tải Theo dạng sóng trình bày hình 1.8b vẽ trường hợp trở Dòng điện dây có dạng gần hình chữ nhật, thyristor dẫn 1/3 chu kỳ dòng điện tải Ta coi thyristor khóa chuyển mạch, tức ta bỏ qua độ van dẫn Tần số đóng cắt thyristor xác định tần số điện áp Điện cảm tải làm thay đổi dạng sóng hình bậc thang điện áp Nguyên nhân chủ yếu việc chuyển mạch dòng điện diode làm trì chuyển mạch (hình 1.8a) khép kín khoảng lớn 120o Hình 1.8: Bộ nghịch lưu cầu ba pha dang sóng Trong điều khiển thyristor thơng thường góc điều khiển chọn 180 o Do nguồn điện chiều nối vào tải qua thyristor đến hai cực có hai thyristor nối song song cực khác Dạng hình 1.9 biểu diễn trình dẫn vùng 180o, điện áp dây hình chữ nhật Dòng điện tải có dạng hình bậc thang thyristor dẫn 180o Hình 1.9: Bộ nghịch lưu cầu ba pha tải R cá dạng sóng  Ưu điểm nghịch lưu nguồn áp – chỉnh lưu có điều khiển: Bộ nghịch lưu nguồn áp nghịch lưu thông dụng nghịch lưu loại có số ưu điểm sau: + Điện áp dòng điện điều biến gần sin + Điều chỉnh điện áp dễ dàng điều chỉnh góc mở chỉnh lưu điều chỉnh khoảng dẫn thyristor + Có khả làm việc chế độ không tải + Do sử dụng tụ làm mạch lọc nguồn nên nghịch lưu loại có kích thước nhỏ gọn nghịch lưu nguồn dòng Khơng có tổn hao cuộn kháng lọc nguồn  Nhược điểm nghịch lưu nguồn áp – chỉnh lưu có điều khiển: + Dòng điện điện áp chứa nhiều thành phần sóng hài tần số + Dễ bị ngắn mạch pha khơng khóa thyristor hợp lý + Với hệ yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ nghịch lưu khó đáp ứng khả chuyển mạch van bán dẫn  ... + Bộ nghịch lưu trực tiếp: Điện áp lưới tần số công nghiệp biến đổi trực tiếp thành số khác tần số lưới cung cấp cho động Tần số nghịch lưu thấp tần số lưới + Bộ nghịch lưu gián tiếp: Điện áp. .. VỀ BỘ NGHỊCH LƯU Sự cần thiết nghịch lưu Điều khiển động điện nhiệm vụ quan thiết kế truyền động điện Động thiết kế ln có tần số điện áp định mức Ở tần số điện áp định mức, động vận hành với. .. (CL) không điều khiển ( chỉnh lưu diode) chỉnh lưu có điều khiển ( chỉnh lưu thyristor), sau lọc nghịch lưu (NL) biến đổi thành điệp áp xoay chiều có tần số thay đổi 1.2.3 Bộ nghịch lưu nguồn