Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm

MỤC LỤC
Trang
PhầnI. Phân tích các vấn đề tồn tại của CL dùng diode và thyristor .... 1
I. giới thiệu chung về CL diot thyrist......................................................... 2
II. Những tham số để đánh giá đối với lưói ........................................... 3
III. Các biện pháp khắc phục .................................................................... 4
IV. Vấn đề trao đổi năng lượng giưa lưới và tải ....................................... 5
PhầnII. Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM
I. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM .............................................. 6
II. Vấn đề về giảm sóng điều hoà bậc cao ............................................... 7
III. Các cấu trúc điều khiển CL PWM ............................................ 8
IV. Mô phỏng bằng MATLAB ............................................................. 9

- 1 -
NHIỆM VỤ THỰC TẬP:
Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm
ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP:
Phòng thí nghiệm trọng điểm TĐH Trung tâm Công nghệ cao
NỘI DUNG THỰC HIỆN:
- Phân tích các vấn đề tồn tại của chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor.
- Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM.
- Mô phỏng.

- 2 -
PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT
VÀ THYRISTOR
I.GIỚI THỆU CHUNG
Ngày nay các bộ biến đổi dùng Diot và Thyristor đóng một vai trò quan
trọng nhất trong lĩnh vưc ky thuật điện tử công suất nói riêng và hệ thống
điện nói chung.
Một bộ chỉnh lưu Diot Thyristor có khả năng biến dòng xoay chiều

50/60Hz thành dòng 1 chiều,dể biến dòng 1 chiều thành xoay chiều ta phải
sư dụng 1 bộ chỉnh lưu đặc biệt khác gọi là bộ nghịch lưu. Hiệu suất của các
bộ chỉnh lưu này rất cao lên đến 98% do tổn thất trên các thiết bị nhỏ,tổn
thất chuyển mạch không đáng kể. Ứng dụng của các bộ chỉnh lưu này rất
rộng:
• Sử dụng trong các bộ nguồn cỡ nhỏ như các bộ nguồn trong TV máy
tính, UPS... Hay các bộ nguồn cỡ lớn trong các phương tiện giao thông
như tàu điện, xe điện.
• Sử dụng trong quá trình điện hoá như mạ, tạo điện cực trong điện
phân,bộ nạp ắc quy.
• Dùng trong các hệ truyền động 1 chiều
• Cấp điện cho các bộ nghịch lưu để điều khiển cho động cơ 1 XC. Làm
giao diện cho các hệ thống sử dụng điện khác…

- 3 -
II.CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CỦA CL ĐỐI VỚI LƯỚI
Hình
1.1
1 Hệ số méo DF

1
2 2
1
1,2,3...
GThd cua dong co ban
GThd cua dong dien tong
=
hd
hd hdn
n

DF
I
I I
∞
=
=
+
∑
(1.1)
Đối vớ sóng vuông:
4/ (1/ 2). 2. 2
0.9
d
d
I
DF
I
π
π
= = =
(1.2)

- 4 -
2 Hệ số công suất thay thế DPF

s 1
Cong Suat trung binh
co ban.Ihd co ban
P1 Vs.Is1.Cos
= =

V s Vs.Is1
= Cos
DPF
Uhd
I
φ
φ
=
Hình 1.2
3 Hệ số công suất PF

binh
cap
2 2
s1
1,2,3...
s1
2 2
s1
1,2,3...
P1
=
Vs I
I
=Cos
I
=DPF DF
trung
cung
n

n
n
n
P
PF
P
I
I
φ
∞
=
∞
=
=
+
+
×
∑
∑
Từ chuỗi furier của sóng dòng điện trên tải ta có thể xác đeịnh những chỉ số
RF,DPF ,PF như là các hàm của Id được mô tả trong hình 1.1
Đối vơi những tải công suất lớn thì RF sẽ tăng còn PF giảm nghĩa là chất
lượng điện năng sẽ xấu đi
4.hệ số méo RF:
1
2
1
2
2
1

2
1
2
−=
−
=
s
s
s
ss
I
I
I
II
RF

- 5 -
Bộ
biến
đổi
Vùng
công
suất
ρ
max
[MW]
Độ
méo
cho
phép

σ
v
[p.j]
Tác
dụng
lên
lưới
m
Sóngđiềuhoà
bậc cao được
khảo sát
P
min
v
max
P/S
k
max
U
k
=
0,05
U
k
=0,1 U
k
=0,15
Điện áp
lưới
U

1
[KV]
Rất
nhỏ
0,01
đến
0,25
0,04 6 5 13 40 35 30
12 11 13 25 20 15
0,38,
0,5,
0,66
Nhỏ 0,25
đến
1
0,03 6 5 13 55 50 40
12 11 13 35 25 15
6; 10; 22
Trung
bình
1 đến
10
0,02 6 5 25 90 70 60
12 11 25 50 35 25
6; 10;
22; 110
Lớn Trên
10
0,01 6 5 25 180 140 120
12 11 25 105 70 50

110
Bảng1: chỉ tiêu độ méo điện áp lưới
III. CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Để giải quyết vấn đề sóng điều hoà bậc cao, người ta sử dụng bộ lọc.
Bộ lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nó sẽ
ngắn mạch dòng điều hoà bậc cao.(Hình 1.8.a)
Bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc giải rộng.(Hình 1.8.b)
a) b)
Hình 1.3
Để khắc phục hệ số cosφ thấp ta dùng các bộ bù cosφ
IV.VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT VỚI LƯỚI VÀ TẢI
Chỉnh lưu dùng diode, thyristor chỉ cho phép năng lượng đi theo 1 chiều
duy nhất. Trong truyền động dùng biến tần cho động cơ xoay chiều. khi
năng lượng của động cơ dư thừa( trong quá trình hãm động năng, đảo chiều

- 6 -
quay, hay non tải…) năng lương bị dồn ngược lại phía XC,nhưng năng
lượng không thể trả về lưới do CL điot chỉ cho phép năng lượng chảy theo 1
chiều duy nhất. Vì vậy ta phải dập năng lượng bằng điện trở mắc ở mạch
một chiều. Khi công suất động cơ tăng lên thì điện trở cúng tăng lên điều
này gây hao phí năng lượng và không áp dụng cho những ĐC có ccông suất
rất lớn được.Cách khác là ta phải mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng
lượng lại lưới.Cách khắc phục này làm tăng gấp đôi số van và bộ điều khiển
sẽ rất phức tạp.Mặt khác khi bộ CL thyristor hoạt động ở chế độ NL góc mở
van sẽ lớn hơn π/2 làm cho hệ số cosφ tụt thấp.
a)
Lưói

b)
Hình 1.4. Các biện pháp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa

a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều
b. Mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới
Trong trường hợp mắc điện trở, nếu công suất cao thì đòi hỏi điện trở lớn
nên sẽ khó khăn trong việc chế tạo và hoạt động. Trong trường hợp mắc
thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới sẽ gây tốn kém.
Từ đó ta thấy cần phải tìm ra một loại chỉnh lưu mới có thể đáp ứng được
các yêu cầu:
- Chứa ít sóng điều hoà bậc cao trong lưới.

- 7 -
- Hệ số công suất cao.
- Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới.
PHẦN II: CHỈNH LƯU PWM
Bộ chỉnh lưu PWM có những ưu điểm so với chỉnh lưu dùng diode và
thyristor:
- Tạo ra ít sóng điều hoà bậc cao nên dòng điện có dạng hình sin hơn.
- Hệ số công suất cos =1.
- Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới.

- 8 -
I. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CL PWM

Hình 2.1 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy 2
chiều
• L-filter là bộ lọc thông thường nhất được sủ dụng.ta còn có thể dùng
bộ lọc LCL có nhiều ưu điểm hơn do tần số cộng hưởng giảm loại bỏ
được điện áp nhiễu trong mạch.Tác dụng của L-filter là tích trữ điện
năng
• Chỉnh lưu cầu có cấu tạo như 1 bộ nghịch lưu thông thường gồm 6
Tranzito mắc song song ngược vơi 6 diot. Ở điện áp thấp ta thường

dùng tranzito IGBT với tần số đóng mở từ vài KHz đến vài chục
KHz. Ở điện áp cao ta sử dụng tranzito GTO hoặc IGCT tấn ssố đóng
cắt vài trăm HZ
• DC-link gồm tụ lọc C 1 chiều.Bao gồm điện áp và dòng điện 1 chiều
có tác dụng tách riêng tải vói bộ chỉnh lưu và có tác dụng lọc điện áp
1 chiều trước khi được đưa đến tải tiêu thụ.
Các van tranzito được điều khiển thích hợp để tạo ra điện áp pha
U1a,U1b,U1c các điện áp này bao gồm điện áp cơ bản và điện áp điều hoà
bặc cao.Thành phần điều hoà của Ufa bị ảnh hưởng rất lớn bởi kĩ thuật điều
biến để điều khiển tranzito.Quan hệ giữa biên độ và pha của điện áp pha cơ
bản trên lưới U2a, U2b, U2c với dòng điện cơ bản trên L i1a, i1b, i1c không
đáng kể.Vẫn tồn tại dòng điều hoà được tạo ra bởi điện áp điều hoà tương

- 9 -
ứng của bộ CL PWM nhưng về cơ bản độ lớn của sóng điều hoà đã bị giảm
đi rất nhiều do trở kháng Lcủa bộ lọc L-filter.Trở kháng này tăng lên khi tần
số sóng điều hoà tăng
Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:
V
dcmin
>V
CL
tự nhiên (chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu thyristor với góc mở
α=0) Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòng
điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng
đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện,
nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi
trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều
chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới
hạn bởi điện áp 1 chiều. Do đó, một dòng điện lớn (năng lượng lớn) qua cảm

kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Ta có độ tự cảm
lớn nhất được xác định bởi công thức:
L<
Ld
m
dc
iw
E
u
.
3
2
2
−
(2.1)
Từ sơ đồ nghuyên lý ta có giản đồ thay thế như sau:
L và R là điện cảm của lưới, U
L
là điện áp lưới và U
S
là điện áp bộ chuyển
đổi có thể điều khiển được từ phía 1 chiều. Biên độ U
s
phụ thuộc vào chỉ số
điều chế và cấp điện áp 1 chiều
Phân tích giản đồ vector

- 10 -
Hình 2.2 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM
a) Giản đồ pha thông thường b) Chỉnh lưu tại hệ số cống suất bằng 1

c) Hãm tái sinh tại hệ số công suất = 1
Giải thích:
Từ giản đồ vector ta thấy, bình thường khi chưa điều khiển góc ε, I
L
và
U
L
sẽ lệch nhau một góc φ nào đó. Ở chế độ chỉnh lưu, ta điều khiển góc ε
để có được I
L
và U
L
trùng pha nên thu được cosφ = 1. Ở chế độ hãm tái sinh,
ta có thể điều khiển góc ε để cos được I
L
và U
L
ngược pha nên thu được
cosφ =1, đồng thời I
L
và U
L
là ngược chiều nhau nên dòng chảy ngược về
lưới.Ta điều khiển được U
L
bằng cách cho thêm điện cảm L của L-fillter vào
mạch.các cuộn cảm này tạo ra điện áp rơi (jwLI
L
).Còn khi điện áp trên tụ lớn
I

L
sẽ đổi dấu vì thế năng lượng có thể trả được về lưới nhưng I
L
và U
L
vẫn
ngược pha thoả mãn đk cosφ = 1
II.VẤN ĐỀ GIẢM SÓNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO
Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu
PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới
hình sin với hệ số công suất bằng 1. Thêm vào đó, chỉnh lưu PWM cung cấp
điện áp 1 chiều ổn định và hoạt động như 1 bộ điều hoà tích cực lưới điện
dùng để bù sóng điều hoà và công suất phản kháng tại các điểm chồng chéo

- 11 -
nhau trong mạng phân bố.Các bộ lọc L-fillter có tác dụng lọc các sóng điều
hoà bậc cao trước khi trả điện năng về lưới, khi sóng điều hoà bậc càng cao
thì tần số của chúng càng lớn vậy trở kháng đối với chúng cũng tăng lên.
Cấu trúc hình 2.3 a giới thiệu giới thiệu giải pháp đơn giản về bộ chuyển
đổi tăng thế với khả năng tăng điện áp đầu ra 1 chiều. Đặc trưng quan trọng
của bộ biến đổi dùng cho điều chỉnh tốc độ truyền động là đưa ra điện áp
động cơ lớn nhất. Hạn chế chính của giải pháp này là quá tải trong các bộ
phận, méo dòng đầu vào tần số thấp. Cấu trúc tiếp theo (b), (c) sử dụng
chỉnh lưu PWM với tốc độ tăng dòng rất thấp (20-25% giá trị hiệu dụng của
dòng so với cấu trúc (e)). Do đó, chúng có giá thành thấp, chỉ có thể thực
hiện chế độ hãm tái sinh(b) và làm bộ lọc tích cực(c). Hình (d) giới thiệu bộ
biến đổi 3 cấp gọi là bộ chỉnh lưu Vienna. Ưu điểm chính là điện áp chuyển
mạch thấp nhưng không phải là các loại mạch điển hình.
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu 3 pha

- 12 -