Luận văn Thiết kế và xây dựng bộ nghịch lưu một pha - Nguyễn Đức Sơn

Nội dung text: Luận văn Thiết kế và xây dựng bộ nghịch lưu một pha - Nguyễn Đức Sơn

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG Luận văn Thiết kế và xây dựng bộ nghịch lưu một pha
2. LỜI NÓI ĐẦU Nhiệm vụ của một sinh viên trước khi ra trường là phải thực hiện và bảo vệ thành công đồ án tốt nghiệp của mình. Đây là bước cuối cùng để một người sinh viên trở thành một kỹ sư, kết thúc một chặng đường học tập và rèn luyện dưới mái trường đại học. Giờ đây, trải qua bốn năm tu dưỡng và trau dồi kiến thức dưới mái trường Đại học Dân lập Hải Phòng, em đã nhận được nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp của mình. Nội dung của đề tài: “Thiết kế và xây dựng bộ nghịch lưu một pha ”. Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thạc sỹ Nguyễn Đoàn Phong và các thầy cô trong bộ môn, em đã hoàn thành được phần thiết kế bộ nghịch lưu. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên đề tài của em chắc còn thiếu sót. Rất mong các thầy cô chỉ bảo trong buổi bảo vệ để em rút ra được những kinh nghiệm cho công việc sau này. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã dìu dắt em trong bốn năm học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện tự động công nghiệp - Đại học Dân lập Hải Phòng, đã trực tiếp dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức kỹ năng chuyên môn bổ ích. Em vô cùng biết ơn thầy giáo Thạc sỹ Nguyễn Đoàn Phong là người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo của bộ môn Điện, các thầy cô đã tận tình giúp đỡ để em có điều kiện hoàn thành được đề tài. Sẽ trở thành một cán bộ kỹ thuật, em luôn tự nhủ phải không ngừng học tập trau dồi kiến thức và kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vào những công việc thực tế. Hải Phòng, ngày 12 tháng 07 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Sơn 1
3. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn điện một chiều độc lập khác. Nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim Người ta thường phân loại nghịch lưu theo số pha, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha, nghịch lưu nhiều pha. Phân loại theo sơ đồ như : hình cầu, hình tia. Người ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. 1.1. BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG 1.1.1. Bộ nghịch lưu một pha Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển, thường là thysistor, điện áp một chiều sau chỉnh lưu được đưa qua cuộn kháng lọc. Cuộn kháng lọc có tác dụng biến nguồn điện sau chỉnh lưu thành nguồn dòng để cung cấp cho mạch nghịch lưu. Đối với bộ nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn điện một chiều thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào hiện tượng của bộ nghịch lưu trong khoảng làm việc trước đó. Trong thực tế thì bộ nghịch lưu nguồn dòng được cung cấp bằng nguồn điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn (hình 1.1), điều đó cho phép làm thay đổi điện áp của bộ nghịch lưu. 2
4. Hình 1.1. Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha Các biến thiên dòng điện được cân bằng nhờ Ldi/dt. Nhưng do di/dt nhỏ nên nguồn dòng trong thực tế không thay đổi trong thời gian ngắn. Chuyển mạch đơn giản nhất của bộ nghịch lưu có dòng điện không đổi chỉ cần có các tụ điện. Ta xét một mạch đơn giản có sơ đồ như hình 1.1a. Khi các thysistor T1 và T2 dẫn, các tụ tích điện dương trên các bản cực trái. Việc kích mở các thysistor T3 và T4 làm các tụ điện nối vào các cực của thysistor T1 và T2 tương ứng để khóa chúng lại. Bây giờ dòng điện đi qua T3C1D1, qua tải sau đó qua D2C2T4 và về nguồn. Điện áp trên hai cực của tụ điện sẽ đảo chiều ở một số thời điểm nhất định phụ thuộc vào điện áp của tải, các diode D3 và D4 bắt đầu dẫn. Dòng điện nguồn sau một thời gian ngắn sẽ chuyển từ D1 sang D3 và từ D4 sang D2. Cuối cùng các diode D1 và D2 ngừng dẫn, khi dòng điện qua tải hoàn toàn ngược chiều. Điện áp các tụ đổi chiều chuẩn bị cho nửa chu kì sau. Các diode vẽ trên hình 1.1 có tác dụng ngăn cách tụ điện với điện áp tải. Dòng điện tải hình chữ nhật nếu ta bỏ qua quá trình chuyển mạch, điện áp ra có thành phần cơ bản hình sin nhưng có đỉnh nhọn tại các điểm chuyển mạch. 3
5. 1.1.2. Bộ nghịch lưu ba pha Sơ đồ mạch nghịch lưu ba pha có dạng như hình vẽ 1.2 Hình 1.2. Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng điện điển hình Dòng điện cấp cho động cơ có dạng xung hình chữ nhật có biên độ không đổi nên sụt áp trên điện cảm tản của stator bằng không và sụt áp trên điện trở stator không đổi. Do đó điện áp trên hai cực của động cơ được tao ra bởi tải, không phải do mạch nghịch lưu dòng điện thường sử dụng các thysistor điều khiển không hoàn toàn có sơ đồ nguyên lý như hình 1.4. Dây quấn ba pha được bố trí đối xứng, nên điện áp của động cơ có dạng gần với điện áp hình sin. Trong trường hợp lý tưởng thì dòng điện có dạng hình chữ nhật có biên độ không đổi. Nhưng thực tế thì quá trình chuyển mạch của thysistor không phải là tức thời, các thysistor cần có thời gian để dẫn và khóa hoàn toàn, nên dạng sóng của dòng điện không phải là vuông hoàn toàn. Trong khoảng thời gian các van T1 và T6 dẫn dòng, dòng điện pha ia = -ib, các tụ chuyển mạch nạp điện có cực tính như hình vẽ. Khi có xung mở T2, T2 sẽ dẫn và T6 sẽ bị khóa do điện áp ngược. Do tải có tính cảm, dòng điện Id không bị gián đoạn ngay mà sẽ khép mạch qua D6-C12 song song với mạch nối tiếp C46 – C42 – T2 nạp cho tụ C62, điện áp trên tụ C62 tăng tuyến tính cho đến khi dòng ic xuất hiện, bắt đầu chuyển dòng của D6 cho D2, tức là chuyển dòng từ pha a sang pha b. Kết thúc quá trình chuyển mạch khi ib = 0 và ic = Id và tụ C62 phân cực ngược lại. 4
6. Hình 1.3. Sơ đồ nối dây chuyển mạch và dạng dòng điện pha Một số ưu điểm của nghịch lưu nguồn dòng: + Có khả năng vượt qua được các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng thái làm việc bình thường. + Có khả năng hãm tái sinh trả năng lượng về lưới bằng đảo dấu cực tính của điện áp một chiều trong khi chiều dòng điện không đổi chiều. Vì vậy không cần yêu cầu thêm bộ chỉnh lưu đảo chiều điện áp. Sự làm việc của động cơ khi độ trượt âm sẽ tự động đảo dấu điện áp một chiều vì dòng điện một chiều là đại lượng được điều khiển. Do đó trong bộ nghịch lưu nguồn dòng năng lượng sẽ được tự động nghịch lưu trả về lưới. 5
7. Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng Nhược điểm của bộ nghịch lưu nguồn dòng: + Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu nguồn dòng là không thể làm việc được ở chế độ không tải. + Kích thước của tụ điện và điện cảm lọc nguồn một chiều khá lớn. Các tụ chuyển mạch phải có trị số lớn cần thiết để thu nhận năng lượng của cuộn dây stator khi chuyển mạch. + Để đảm bảo năng lượng phản kháng tối thiểu thì động cơ phải được thiết kế sao cho điển cảm tản nhỏ nhất. Điểu này sẽ làm tăng mức giá động cơ. 1.2. BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP 1.2.1. Bộ nghịch lưu một pha có điểm giữa Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sau khi qua bộ chỉnh lưu có điều khiển được tụ C lọc thành nguồn áp, cung cấp cho mạch nghịch lưu. a. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.5. Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thysistor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ. Tụ điện C có vai trò giúp cho các thysistor chuyển mạch. Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn. 6
8. Hình 1.5. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa Khi một thysistor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa cuộn dây sơ cấp. Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C. Mở thysistor tiếp theo sẽ làm khóa thysistor trước, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song. Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng. Trong thực tế, điện áp một chiều trên hai đầu dây quấn chỉ có thế được duy trì bằng từ thông biến thiên, do đó cần có dòng điện từ hóa ban đầu. Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp, nghĩa là kích mở một thysistor gần thời điểm dẫn của thysistor khác, làm cho điện áp tải có trị số cực đại. Nếu tải không phải là tải điện trở thì khi tải là điện cảm, dòng điện tải tăng lên rồi lại giảm xuống. Khi thysistor T1 dẫn. Dòng điện chảy từ c tới a, c dương so với a và tải nhận được dòng điện chảy từ c tới a. Khi thysistor T2 mở để đổi chiều điện áp ra thì thysistor T1 bị khóa, nhưng dòng điện tải không thể đổi chiều đột ngột, dòng điện sơ cấp cũng không thay đổi điện áp và dòng điện có sự lệch pha nhau. Sơ đồ được trình bày như hình 1.6. Khi T1 bị khóa, chỉ có dòng điện chảy từ d đến c qua D2 nạp trở lại nguồn một chiều. Trong khi D2 dẫn, thysistor T2 bị khóa, điện thế tại điểm d âm hơn so với c. Vì vậy công suất từ tải được đưa trở lại nguồn một chiều. 7
9. Hình 1.6. Sự làm việc với tải phản kháng Ta xét hình 1.6b: ở thời điểm t2 dòng điện tải triệt tiêu, diode D2 ngừng dẫn và thysistor T2 trở lại dẫn dòng. Làm ngược chiều dòng điện tải, tải trở thành nguồn điện. Để đảm bảo thysistor T2 chắc chắn dẫn tại thời điểm t2, ta phải kích mở theo nguyên tắc chùm xung, Quá trình cũng diễn ra tương tự cho thysistor T1. Ta có thể phối hợp các diode ở đầu bên phía sơ cấp của máy biến áp, nhưng khi đó sẽ dẫn đến tổn hao năng lượng chuyển mạch trong cuộn dây lọc nguồn. Sự phối hợp các diode ở gần đầu dây quấn cho phép lấy lại năng lượng tích lũy trong cuộn dây sau khi chuyển mạch và do vậy làm giảm được tổn hao trong mạch. Ta xét tải có tính điện dung. Dạng điện áp được trình bày đơn giản như 8
10. hình 1.6c, dòng điện qua các diode tại các thời điểm t3 và t4 trước khi mở thysistor làm đổi chiều điện áp. Trong trường hợp tổng quát sóng điện áp và dòng điện không phải là sin hoàn toàn, ta chỉ xét sóng điện áp cơ bản trong trường hợp đơn giản. b. Mạch nghịch lưu nửa cầu Sơ đồ mạch nghịch lưu nửa cầu có dạng như hình vẽ 1.7 Hình 1.7. Sơ đồ mạch nghịch lưu nửa cầu Tải của mạch nghịch lưu thông thường mang tính cảm nên trong sơ đồ có thêm hai diode ngược đấu song song với các transistor tương ứng, nhằm ngăn ngừa quá điện áp lớn xuất hiện trên các cực transistor khi đóng cắt dòng tải. Quá trình dẫn của các van bán dẫn có thể thấy đơn giản qua đồ thị dòng điện và điên áp đầu ra của bộ nghịch lưu. Ưu điểm của sơ đồ là cấu trúc và điều khiển đơn giản, tốn ít van bán dẫn. Nhược điểm của sơ đồ là khả năng đáp ứng được công suất lớn là không cao. c. Mạch nghịch lưu cầu Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu có sơ đồ động lực như hình vẽ 1.8 Nếu tải trong hình 1.8a là tải thuần trở, việc mồi lần lượt các thysistor T1, T2 và T3, T4, điện áp một chiều sẽ đặt lên hai cực của tải theo hai chiều tạo nên sóng hình chữ nhật. Trong trường hợp tải điện cảm, dòng điện chậm pha hơn so với điện áp mặc dù dạng điện áp vẫn còn dạng hình chữ nhật. 9
11. Hình 1.8. Bộ nghịch lưu cầu một pha Dạng sóng biểu diễn trên hình 1.8c được vẽ trong trường hợp tải mang tính chất điện cảm. Các thysistor được mồi bằng xung chùm liên tục trong khoảng 1800 của điện áp ra của bộ nghịch lưu. Cuối nửa chu kì dương của 10
12. điện áp, dòng điện tải là dương và tăng theo hàm số mũ, khi thysistor T3 và T4 được đổi chiều. Mạch duy nhất để dòng điện tải chảy qua là qua các diode D3 và D4. Nguồn điện một chiều được nối với tải theo điện áp ngược với ban đầu và cung cấp nguồn cho tải, dòng điện tải tăng theo hàm mũ. Vì các thysistor yêu cầu phải được mồi đúng lúc sau khi dòng điện tải tăng theo hàm mũ. Vì các thysistor yêu cầu phải được mồi đúng lúc sau khi dòng điện tải triệt tiêu, nên cần phải đưa một xung chùm vào cực điều khiển trong khoảng 1800 dẫn của van. Từ nguồn một chiều điện áp cố định ta cũng có thể điều chỉnh điện áp ra chữ nhật có những khoảng điện áp bằng không (hình1.8c). Ta nhận được điện áp hình chữ nhật bằng cách kích mở các thysistor T1 và T4 trước các thysistor T2 và T3. Trên hình 1.29c biểu diễn góc là góc vượt trước này. Hay nói cách khác chùm xung đưa vào T1 và T4 vượt trước một góc so với đưa vào T2 và T3. Dạng sóng trên hình 1.8c, ở thời điểm thysistor T4 được kích mở để khóa T1, dòng điện tải chạy qua diode D4 nhưng vì thysistor T2 còn dẫn nên dòng tải chảy qua D4 và T2 làm ngắn mạch tải và triệt tiêu điện áp trên tải. Khi thysistor T3 được kích mở và thysistor T2 bị khóa thì dòng điện chảy qua diode D3 làm đổi chiều điện áp nối với nguồn. Các thysistor T3 và T4 bắt đầu dẫn ngay khi dòng điện tải triệt tiêu. Các dòng điện chạy qua thysistor và diode không còn giống nhau nữa. Hình 1.9 ta có một cách khác để nhận được một sóng gần hình chữ nhật có bề rộng thay đổi được bằng cách phối hợp các đầu ra lệch pha của hai bộ nghịch lưu sóng hình chữ nhật. Bộ nghịch lưu 2 lệch pha so với bộ nghịch lưu 1 một góc tạo nên điện áp chung có khoảng điện áp bằng không có độ rộng xung bằng . Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được bằng cách giảm điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu. 1.2.2. Bộ nghịch lưu ba pha Mạch công suất của nghịch lưu cầu ba pha sử dụng Thysistor được trình bày ở hình vẽ 1.9, trong đó quá trình chuyển mạch và quá độ được bỏ 11
13. qua trong trường hợp đơn giản. Dạng sóng điện áp đầu ra được trình bày ở hình 1.10 Hình 1.9. Bộ nghịch lưu cầu ba pha Bộ nghịch lưu gồm ba nửa cầu, mỗi nửa cầu bao gồm hai transistor cao và thấp, mỗi transistor sẽ đóng cắt biến đổi trong khoảng thời gian 1800. Mỗi nửa cầu được dịch pha 1200 và dạng sóng cân bằng của ba pha được trình bày trong hình 1.10. Nguồn DC có trung tính giả, mục đích của trung tính giả là làm thuận lợi cho ta khi xét dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu, trong thực tế thì nguồn chung tính này không có thật. Điện áp DC có được từ một chỉnh lưu cầu và một mach lọc LC để có một nguồn áp tương đối lý tưởng. Dạng sóng của điện áp ra. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu được xác định bởi dạng của mạch điện và phương pháp đóng cắt mà không phụ thuộc vào dạng của tải. Dạng sóng ra này rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao, nhưng dòng điện thì tương đối bằng phẳng hơn, điều này có được là do ảnh hưởng hiệu ứng lọc của tải. Theo các dạng sóng trình bày trên hình 1.10b được vẽ trong trường hợp tải thuần trở. Dòng điện dây có dạng gần như hình chữ nhật, mỗi thysistor dẫn 1/3 chu kì dòng điện tải. Ta coi thysistor chỉ là những khóa chuyển mạch, tức là ta bỏ qua quá độ trong các van bán dẫn. Nguồn một chiều được đóng mở trong sáu khoảng để tổng hợp nên đầu ra ba pha. Tần số đóng cắt của thysistor xác định tần số điện áp ra. Điện cảm của tải làm thay đổi dạng sóng hình bậc thang của điện áp ra. Nguyên nhân chủ yếu là việc chuyển mạch của dòng điện tải trong các diode làm duy trì các chuyển mạch (hình 1.10a) khép kín trong khoảng lớn hơn 1200. 12
14. Hình 1.10. Bộ nghịch lưu cầu ba pha và các dạng sóng Trong điều khiển thysistor thông thường góc điều khiển được chọn bằng 1800. Do vậy nguồn điện một chiều được nối vào tải qua một thysistor đến một trong hai cực và có hai thysistor nối song song và cực khác. 13
15. Dạng sóng trên hình 1.11 biểu diễn quá trình dẫn trong vùng 1800, điện áp dây hình chữ nhật. Dòng điện tải có dạng hình bậc thang và mỗi thysistor dẫn 1800. Hình 1.11. Bộ nghịch lưu cầu ba pha làm việc trong vùng 1800 tải R và các dạng sóng Ưu điểm của bộ nghịch lưu nguồn áp – chỉnh lưu có điều khiển: Bộ nghịch lưu nguồn áp là bộ nghịch lưu khá thông dụng và bộ nghịch lưu loại này có một số ưu điểm sau: + Điện áp và dòng điện ra được điều biến gần sin hơn. 14
16. + Điều chỉnh điện áp ra dễ dàng bằng điều chỉnh góc mở của chỉnh lưu và bằng điều chỉnh khoảng dẫn của thysistor. + Có khả năng làm việc ở chế độ không tải + Do sử dụng các tụ làm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch lưu loại này có kích thước nhỏ gọn hơn nghịch lưu nguồn dòng. Không có tổn hao trong cuộn kháng lọc nguồn. Nhược điểm của nghịch lưu nguồn áp – chỉnh lưu có điều khiển: + Dòng điện và điện áp vẫn chứa nhiều thành phần sóng hài tần số cơ bản. + Dễ bị ngắn mạch pha nếu không khóa thysistor hợp lý. + Với những hệ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì bộ nghịch lưu này khó đáp ứng được do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn. 1.3. BỘ NGHỊCH LƯU ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG [1] Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểm của hai bộ nghịch lưu trên. Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi tần số trong dải tần số định mức. Bằng phương pháp PWM ta có thể điều khiển được động cơ thích nghi theo một đường đặc tính cho trước. Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưu PWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn. Tần số thông thường lớn hơn khoảng 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch lưu.  Nguyên lý hoạt động của PWM. Sơ đồ mạch lực PWM một pha được biểu diễn như hình 1.12 15
17. Hình 1.12. Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và sóng điều biên. + Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn có thể đến hàng chục thậm chí hàng trăm kHz. + Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch lưu. Hình 1.13 biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực. Chu kì đóng mở được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnh sóng hình sin cơ bản. Hình 1.13. Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hòa của sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này. Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 1.13. Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn. 16
18. Hình 1.14. Đồ thị xác định thời điểm kích mở thysistor Điện áp của đầu ra bộ nghịch lưu PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông, có nghĩa là khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn áp đã đề cập ở trên. Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ trống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển. Hình 1.15 giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mở van bán dẫn. Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho xung ra có bề rộng b. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi như trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy ta có c = b/2. 17
19. Hình 1.15. Giải thích sự việc sử dụng sóng tam giác để so sánh Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi, do vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu thay đổi. Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của sóng sin chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của sóng sin. Điều đó đồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác. Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm tăng các điều hòa bậc cao. Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tần số cơ bản sin hơn. Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện. Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều khiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực. Các thysistor được kích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực). Giản đồ điện áp điều biến PWM lưỡng cực được biểu diễn trên hình 1.16. Phần điện áp ngược trong nửa trong chu kì đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác tần số cao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác và sóng hình sin cần điều biến. 18
20. Hình 1.16. Điều chế độ rộng xung lưỡng cực Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao đổi chiều trong thysistor của bộ nghịch lưu lớn. Để chọn bộ nghịch lưu có sóng gần chữ nhật hoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ xung phần tử chuyển mạch và tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản còn lại ở đầu ra. 1.4. NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng. Giá trị điện cảm không lớn như nghịch lưu dòng ( Ld = ) và không nhỏ hơn nghịch lưu áp ( Ld = 0 ), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tượng dao động . 1.4.1. Nghịch lưu cộng hưởng song song Xét sơ đồ hình 1.17, khi t = 0 cặp van T1, T2 được mở ra. Tụ C được nạp qua mạch (+) Ld T1 Zt T2 (-). Dòng nạp cho tụ sẽ có dạng hình sin vì mạch dao động cộng hưởng. i i =i T1 T2 Ld i =i  T3 T4 0 + T1 T3 id Lt Zt i E Uc=Ut  C 0 T2 1 2 3 - T4 UC=Ut 4 5 a) b) Hình 1.17. a) Nghịch lưu cộng hưởng song song – b) Giản đồ xung Tại thời điểm .t 1 dòng đi qua tải giảm về không do đó T1 và T2 bị khóa lại. Trong khoảng thời gian từ 1 đến  2 tất cả các tiristo đều bị khóa lại và Lt = 0. Điện áp trên T1, T2 bằng nửa điện áp trên tụ Uc và điện áp nguồn E. 19
21. Điện áp trên tụ trong khoảng thời gian 1   2 phải lớn hơn nguồn E đảm bảo khóa T1 và T2 chắc chắn. Tại thời điểm .t 2 cặp van T3 và T4 được mở ra. Điện áp trên T1 và T2 bằng điện áp ngược của tụ C đặt lên (= Uc), tụ được nạp theo chiều ngược lại và đảo dấu. Dòng nạp của tụ C cũng mang tính dao động và giảm về không ở thời điểm  4 . Lúc này T3, T4 khóa lại. Dòng qua tiristo có thể coi là xung sin: I t I m .sino .t (1.1) 1.4.2. Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp Sơ đồ gồm hai cuộn cảm L1 và L2 được quấn trên cùng một lõi thép để tạo ra hiện tượng cảm ứng, tụ C được mắc nối tiếp với tải. Các giá trị của L1, L2, C và Rt được chọn sao cho dòng qua tiristo là dòng dao động. Nghịch lưu nối tiếp có ba chế độ làm việc : a) Chế độ khóa tự nhiên : f0 > f , dòng qua T1 giảm về không sau một thời gian mới mở T2, chế độ này tương tự như chế độ làm việc của nghịch lưu song song. T1 L1 L2 T2 K L + E i1 C i2 E C Rt - rt a) b) Hình 1.18. Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp và sơ đồ thay thế b) Chế độ giới hạn : f0 = f dòng qua T1 giảm về không thì T2 được mở ra vì vậy chế độ này đảm bảo dòng tải ít và điện áp trên tải Ut là hình sin. c) Chế độ chuyển mạch cưỡng bức : f0 < f khi T1 còn chưa khóa đã kích xung mở cho T2. Sở dĩ nghịch lưu nối tiếp có thể làm việc ở chế độ 2 và 3 là do hiện tượng cảm ứng của hai cuộn L1 và L2. 20
22. Khi T1 còn đang dẫn đã mở cho T2, dòng phóng qua tụ C qua L2 và T2 sẽ gây nên hiện tượng cảm ứng trong cuộn L2. Sức điện động này có dấu chống lại sự tăng của dòng, tức là (+) ở bên trái và (-) ở bên phải. Do L1 và L2 quấn trên cùng một lõi thép nên sức điện động này cảm ứng nên L1. Như vậy T1 sẽ chịu một điện áp UT : UT = E - ( UL1 + UL2 ) (1.2) Các tham số được chọn sao cho Ut f0 là chế độ mà nghịch lưu cộng hưởng làm việc như chế độ nghịch lưu dòng điện. 21