ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG Chuong 5 nghich luu va bien tan
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.23 MB, 49 trang )
NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN
CHƯƠNG 5
1. Phân loại nghịch lưu
2. Khảo sát nghịch lưu nguồn dòng
3. Khảo sát nghịch lưu nguồn áp
4. Điều khiển áp ra và hạn chế sóng hài
5. Nghịch lưu cộng hưởng
6. Mạch điều khiển nghịch lưu
7. Biến tần
8. Ứng dụng
9. Tóm tắt chương
Nghịch lưu độc lập (còn gọi là nghịch lưu ô-tô-nôm – autonomous) là bộ biến đổi điện
một chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số ngỏ ra do nó quyết định, cung cấp cho các tải xoay
chiều, phân biệt với nghịch lưu phụ thuộc là chế độ đặc biệt của chỉnh lưu điều khiển pha, cho
phép chuyển năng lượng từ phía một chiều về lưới xoay chiều vốn có điện áp và tần số cố định
(chế đđộ nghịch lưu, mục III.4.5).
Khác với các BBĐ đã khảo sát ở các chương trước, có rất nhiều sơ đồ nghịch lưu khác
nhau. Ngay cả khi cùng sơ đồ động lực, có thể dùng nhiều cách điều khiển để thay đổi chế độ
làm việc, đáp ứng các dạng tải công nghiệp. Vì thế phần đầu của chương sẽ dành cho phân loại
nghịch lưu, trong đó sẽ giới thiệu các họ sơ đồ nghịch lưu trước khi khảo sát bộ nghịch lưu nguồn
áp là trọng tâm của chương. Các bộ nghịch lưu cộng hưởng, là dạng bộ biến đổi quan trọng cho
nghịch lưu tần số cao cũng được giới thiệu.
V.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU:
1. Nghịch lưu song song và nối tiếp: theo vị trí của C tắt SCR
Là các dạng nghịch lưu sử dụng SCR làm ngắt điện, sử dụng tụ điện ở mạch tải để
chuyển mạch. Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng hưởng
LCR, làm cho dòng qua SCR giảm về zero và SCR tự tắt. Hình V.1.1 bao gồm hai mạch nghịch
lưu song song: sơ đồ cầu (a), sơ đồ ghép biến áp (b), ( c) tương ứng với nghịch lưu nối tiếp.
+
uo
L
SCR1
+
U
SCR2
-
(a)
+
+
C
U
SCR4
+
_
L
C
R
_
L1
T
SCR3
_
U
_
SCR1
(b)
SCR2
SCR1
Trang 1
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
C
SCR2
uo
( c)
Hình V.1.1: Nghịch lưu nối tiếp (c) và song song (a. sơ đồ cầu; b. sơ đồ biến áp có điểm giữa).
a. Nghịch lưu song song: (hình V.1.1.a và .b)
L2
R
u
Dạng sóng các phần
u
U
+U
tử trên sơ đồ V.1.1.a được
iO
t
vẽ trên hình V.1.2.a. Các
-U
SCR 1 và SCR 4 có cùng
i
dạng xung kích cũng như i
i
i
SCR 2 và SCR3. Khi SCR 1
u
và SCR 4 dẫn điện, tụ điện
u
C được nạp đến điện áp có
t
tq
cực tính như trên hình vẽ.
Điện áp này sẽ đặt điện áp
(a)
(b)
âm vào SCR 1 và SCR 4,
làm tắt chúng khi ta kích
Hình V.1.2: Dạng áp, dòng của NL nối tiếp (a) và song song (b)
SCR2 và SCR3. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu chỉnh lưu, làm cho dòng điện cung
cấp vào cầu chỉnh lưu không thay đổi tức thời, tránh khả năng chập mạch tạm thời qua SCR 1 và
SCR 2 (hay SCR 3 và SCR 4) khi các SCR chuyển mạch.
C
C
GT1
GT1
GT2
GT2
L1
T1
Do có tự cảm ở giữa bộ nghịch lưu và nguồn nên trị số và dạng áp ngỏ ra thay đổi theo
đặc tính tải. Trên hình V.1.2b, áp ra không còn dạng xung vuông và có thể gần giống hình sin khi
tải có tự cảm (tải RL).
b. Nghịch lưu nối tiếp: (hình V.1.1.c)
Mạch điện hình V.1.1.c là dạng đơn giản nhấùt trong nhóm mạch nghịch lưu nối tiếp, có
mạch tương đương là LCR nối tiếp khi SCR dẫn điện. Khi SCR 1 được kích, dòng qua mạch sẽ về
không khi áp trên tụ điện đạt giá trị cực đại (có dấu như trên mạch điện) và SCR sẽ tự tắt. Khi
SCR 2 được kích, tụ điện sẽ phóng qua nó và dòng về không khi áp trên tụ điện đảo cực tính,
chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp – dạng sóng hình V.1.2.a.
Hai mạch nghịch lưu này được dùng làm bộ nguồn trung hay cao tần. Ngoài nhiệm vụ tắt
(chuyển mạch) SCR, các tụ điện trong hai nghịch lưu này còn là một bộ phận của tải, góp phần
vào việc cải thiện hệ số công suất của mạch. Vì thế mạch còn gọi là nghịch lưu chuyển mạch tải.
2. Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp:
a. Nghịch lưu nguồn dòng:
+
i
N
L =∞
N
S1
U
_
S2
i
R
i
S3
o Tải RL
u
C
i
S4
o
u
C
i
L
io
i
N
C
O
C
2π
wt
π
L
Mạch tương đương
(C là tụ chuyển
mạch)
- iN
Hình V.1.3 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương
đượng và dạng dòng ngỏ ra bộ biến đổi
Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở ngỏ vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có
giá trị lớn: mạch làm việc với nguồn dòng. Như vậy hai mạch nghịch lưu song song hình V.1.1a
và b có dạng của nghịch lưu nguồn dòng khi tự cảm nguồn đủ lớn.
Hình V.1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch tương đương và dòng ngỏ ra của NL nguồn
dòng một pha tải RL. Dòng nguồn iN phẳng, không đổi ở một giá trị tải, được đóng ngắt thành
dòng xoay chiều cung cấp cho tải:
Trang 2
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
S1, S4 đóng: iO = iN > 0 ; S2, S3 đóng: iO = - iN < 0
Vậy tải nhận được dòng điện AC là những xung vuông có biên độ iN phụ thuộc tải. Công
suất tải tiêu thụ cũng chính là công suất cung cấp bởi nguồn khi BBĐ chỉ gồm các ngắt điện điện
tử không tiêu thụ năng lượng:
Po = U.iN
b. Nghịch lưu nguồn áp:
Ngược với sơ đồ nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp có tụ điện giá trị lớn (lý tưởng là bằng
vô cùng) nối song song với ngỏ vào bộ nghịch lưu, làm cho tổng trở trong của nguồn bằng không,
nhờ đó mà nguồn có khả năng cung cấp và nhận dòng không giới hạn. Cũng với yêu cầu này,
các ngắt điện của nghịch lưu nguồn áp cần có diod song song ngược. Diod này cho phép dòng
qua tải có thể chạy hai chiều khi ngắt điện làm việc (ở nghịch lưu nguồn dòng, dòng chỉ chạy
một chiều từ nguồn qua tải). Nhờ vậy biên độ áp ra bị giới hạn ở áp nguồn khi các ngắt điện hay
diod dẫn điện. Vì thế ta gọi đây là nghịch lưu nguồn áp.
Hình V.1.4. trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch tương đương và một dạng áp ra của NL
nguồn áp một pha. Có thể nhận xét là BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải sẽ là
NL nguồn áp một pha khi được điều khiển sao cho trị trung bình áp ra bằng 0. Áp nguồn một
chiều được đóng ngắt thành những xung áp hình vuông để cung cấp cho tải.
i
o
+
S1
i Tải RL
o
U
C
_
u
o
S2
S4
V
R
S3
π
0
u
o
L
wt
π
2
-V
Mạ ch tương đương
Hình V.1.4 Sơ đồ nguyên lý, mạch tương đượng và dạng áp ngỏ ra bộ biến đổi có hạn chế sóng hài bậc
cao.
So sánh
Nghịch lưu nguồn dòng
Nghịch lưu nguồn áp
Ngỏ vào
Nguồn
Tải
L=∞
Nguồn dòng
Dòng xung vuông
Áp thay đổi theo tải
1 chiều, từ nguồn đến tải
C=∞
Nguồn áp
Áp xung vuông, giới hạn ở biên độ nguồn
Dòng thay đổi theo tải
2 chiêù, nguồn trao đổi với tải
Năng lượng
V.2 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG:
1. Sơ đồ một pha :
- Khảo sát trường hợp đơn giản: tải R, tự cảm nguồn rất lớn.
Mạch điện hình V.1.1(a) và (b) cho ta dạng cơ bản của NL nguồn dòng một pha là việc ở
tần số cao. Tụ C tạo ra khả năng chuyển mạch của bộ nghịch lưu. SCR 1 và 4 khi được kích cung
cấp xung dòng dương cho tải , nạp tụ C theo cực tính như hình vẽ chuẩn bị tắt chúng theo nguyên
tắt chuyển mạch cứng. Kích SCR 2 và 3 sẽ làm SCR 1 và 4 tắt và cung cấp xung dòng âm cho
tải.
Trang 3
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
Khảo sát chu kỳ tựa xác lập mạch điện hình V.1.1.a:
L
+
LN có trị số rất lớn ⇒ dòng nguồn phẳng, bằng I.
SCR3
SCR1
Kích SCR 1 và 4, có các phương trình:
U
u
du
I = o + C o với uo (0) = +U C là giá trị đầu
<V.2.1>
R
dt
− t / RC
⇒ uo = A + Be
;uo (0) = + VC = A + B
C
R
SCR2
_
SCR4
Hình V.1.1a: Nghịch lưu nguồn
dòng tải R
T
sau 1/2 chu kỳ, uo ( ) = −U C (vì tính đối xứng)
<V.2.2>
2
− T / 2 RC
⇒ −U C = A + Be
Tích phân công suất qua cuộn dây L N trong chu kyø:
PL = 0 =
2 T/2
2 T/2
I (U − uo ) dt => ∫ (U − uo ) dt = 0
∫
T 0
T 0
T/2
hay
2 T/2
UT ⎡
1
⎤
uo dt = U ⇒
Be− t / RC ⎥
= ⎢ At −
∫
0
T
RC
2
⎣
⎦0
suy ra:
<V.2.3>
U (1 + e− T / 2 RC − 2e− t / RC )
uo (t) =
1 − e− T / 2 RC )
(
(1 + e−T / 2 RC ) − 4 RC
T
khi chuyển về hệ đơn vị tương đối, khi đặt θ = ω t =
2π
t; k = wRC:
T
uo (θ )
1 + e−π / k − 2e−θ / k
<V.2.4>
=
2k
U
−π / k
−π / k
e
e
1
1
+
−
−
(
)
(
)
π
Đồ thị điện áp trên các phần tử và áp ra tải ở hệ đơn vị tương đối uO(θ)/V với các giá trị k
khác nhau được trình bày trên hình V.2.1 (a) và (b). Nhận xét là các quan hệ có dạng hàm mũ,
thời gian uO < 0 chính là thời gian đảm bảo tắt tq cho các SCR.
(a)
(b)
Hình V.2.1: (a) là dạng áp, dòng qua các phần tử và (b) uO(θ)/U với các giá trị k khác nhau.
Trang 4
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
L
+
SCR1
SCR3
C1
D1+
-
u
C
D3
u
C
R
U
D2
t
D4
t
C2
_
+
SCR2
-
SCR4
Không Diod chặn
Có Diod chặn
Hình V.2.2.(a) mạch động lực và (b) dạng áp ra có và không có diod chặn.
Bài tập V.2.1: tính giá trị của tq, tính giá trị I của dòng chảy qua nguồn.
Hướng dẫn:
uO(tq) =0 => 1 + e− T / 2 RC − 2e− tq / RC = 0 ⇒ tq
P = U .I =
2 T / 2 uO2
2 T / 2 uO2
dt
=>
I
=
dt
T ∫0 R
UT ∫0 R
- Khảo sát trường hợp thực tế: tải là RL, và điện kháng nguồn không vô cùng lớn. Khi đó
các dạng dòng, áp có tính dao động, áp trên tụ C sau khi qua giá trị cực đại sẽ giảm xuống, kéo
theo giảm tq, nhất là khi tần số làm việc thấp. Khi đó, người ta dùng các diod chặn (D1 – D4),
cho phép giữ áp trên tụ ở giá trị cực đại - hình V.2.2 (a) và (b).
- Khảo sát gần đúng nghịch lưu nguồn dòng: Trong thực tế, tải thường là RL. Khi tính toán
gần đúng, ta có các giả thiết sau dù điện kháng nguồn không lớn vô cùng:
* Dòng tải iO là xung hình vuông, có biên độ
bằng dòng nguồn I.
* Tụ C và tải RL làm thành mắc lọc cộng hưởng,
làm cho áp trên tải uC có dạng hình sin và như vậy chỉ
có sóng hài bậc 1 của dòng tải là i1 tạo ra công suất.
L
i
L
i
1
iC
uo
C
R
Mạch tương đương gần đúng được vẽ trên hình
Mạch tương đương (gần đúng)
V.2.3.a khi chỉ xét thành phần cơ bản (bậc 1). Hình
V.2.3.b cho ta các vector: UC là áp ra, I1 là hài cơ bản
Hình V.2.3.a
của dòng ra iO; IC , IL lần lượt là dòng qua C và tải RL, ta có:
UC là áp ra, lệch dòng ra IL góc φ của tải RL. I1 sớm pha UC góc β để có áp âm cần thiết
tắt được các SCR (phần gạch đứng tronghình V.2.3.c).
U
io
U
C
I
i
1
IC
β
I
1 β φ
IL
β
uo
-I
SCR 1 và 4 dẫn
Hình V.2.3.b và c.
Trang 5
π
2π
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
| kích SCR 2 và 3
wt
Ta có - góc lệch pha β = ω.tq . <V.2.5>
- Hiệu dụng hài bậc nhất dòng tải iO là I1 = a
a=
2 2
π
I với a = 1 ở sơ đồ 1 pha và
3
ở sơ đồ 3 pha ( dùng công thức ở phần V.3.1, hình V.3.1).
2
Từ đồ thị vec tơ, ta có:
1−
tan β =
IL
.sin φ
IC
IC − I L .sin φ
I
Y
1
1 − B.sin φ
, <V.2.6>
=
=
với B = L = L =
IL
IC YC ω C.Z
I L .cos φ
B.cos φ
.cos φ
IC
⎛ 1 − B sin φ ⎞
Z là tổng trở tải RL, Z = R2 + (wL) 2 và ta có β = tan −1 ⎜
⎟ . Để tính các dòng, áp ta
⎝ B cos φ ⎠
tính công suất P bằng hai cách từ nguồn một chiều (cung cấp) và tải (tiêu thụ) khi xem hiệu suất
hệ thống bằng 1:
2 2
π
1
.
.U <V.2.7>
P = U .I = U C .I1.cos β = U C .a.
I.cos β ⇒ U C =
π
a.2 2 cos β
Từ áp ngỏ ra UC có thể suy ra công suất P của mạch và dòng nguồn I.
Bài tập V.2.2: Tính mạch nghịch lưu nguồn dòng sơ đồ một pha. Áp nguồn một chiều 500 V,
tần số làm việc 1 KHz, R = 15 ohm và L = 0.001 H
- Tính giá trị điện dung C để đảm bảo thời gian tắt SCR là 30 μsec.
- Tính giá trị hiệu dụng áp ra UC, suy ra công suất trên tải P và dòng nguồn I.
2. Sơ đồ ba pha : (hình V.2.4.b)
Để tạo ra hệ thống ba pha, các ngắt điện phải Logic ba pha:
được đóng ngắt theo một thứ tự không thay đổi đối với ( hai ngắt điện làm việc cùng lúc ).
các hệ thống ba pha, gọi là LOGIC BA PHA. Nghịch
lưu nguồn dòng sử dụng logic ba pha có hai ngắt điện nhóm + S1 −> S2 −> S3 −> S1
làm việc cùng lúc. Đây cũng chính là thứ tự điều khiển nhóm −
S6 −> S4 −> S5 −> S6
các SCR trong chỉnh lưu cầu ba pha. Nhận xét là ở đây
chung S1 −> S6 −> S2 −> S4 −> S3 −> S5
chỉ có hai ngắt điện làm việc cùng lúc vì dòng nguồn
không đổi (nguồn dòng) chỉ có thể chạy qua một SCR của nhóm + một SCR của nhóm – . Ví dụ
khi S1, S6 đang dẫn, S2 được kích sẽ làm tắt S1 (Hình V.2.4.a).
S1
S5
S2
S6
S4
iA
t
S3
+
i
N
S5
L =∞
S1
U
uA
S4
_
(a)
i
S2
A
S5
i
B
S3
i
C
S6
(b)
Hình V.2.4: Dạng áp, dòng của NL nguồn dòng 3 pha (a) mạch động lực (b)
Hình V.2.4 cho ta các dạng sóng và mạch nguyên lý của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha.
Dòng nguồn, xem như không đổi ở một trạng thái của tải, đưọc phân bố cho các SCR như hình
Trang 6
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
(a): mỗi lúc chỉ có hai SCR làm việc, xung dòng trên mỗi pha có dạng chữ nhật, áp ra thay đổi
theo đặc tính tải. Cũng giống như nghịch lưu một pha, dòng qua tải iA sớm pha hơn điện áp uA
(hình V.2.4.a). Đây chính là điều kiện để có sự chuyển mạch: khi xem tụ chuyển mạch là thành
phần của tải, tải sẽ có tính dung và đặt được áp âm vào SCR đang dẫn khi SCR mới được kích.
Việc tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn dòng 3 pha thực hiện giống như sơ đồ một pha
nhưng với quan hệ giữa biên độ và thành phần cơ bản (hệ số a) của dòng điện thay đổi.
Một nhận xét khác là năng lượng chỉ chảy một chiều từ nguồn qua tải, làm áp ra thay đổi
theo tải, tăng cao khi không tải vì năng lượng tích trữ ở tải tăng cao.
Cũng giống như nghịch lưu 1 pha, áp ra thay đổi theo tải và ta có thể điều khiển bằng
cách thay đổi áp nguồn hay mắc song song với tải một mạch điều chỉnh công suất phản kháng.
Hình V.2.5.a cho ta một ví dụ về nghịch lưu nguồn dòng cụ thể. Có thể thấy đây là sự phát
triển của sơ đồ V.2.2.a thành ba pha, SCR đang dẫn sẽ tắt khi một SCR nối chung anod (catod)
được kích theo logic mỗi lúc có hai ngắt điện làm việc. Quá trình tắt T1 khi T3 được kích được vẽ
trên hình (b), các tụ điện sẽ đặt áp âm vào T1 và nạp đến cực tính ngược lại, chuẩn bị tắt T3 ở
xung dòng kế tiếp. Các diod được thêm vào để tránh tình trạng tụ điện C bị xả qua tải ở tần số
làm việc thấp. Hình (c) cho ta các dạng sóng trên các phần tử của mạch trong một chu kỳ.
Hình V.2.5: Sơ đồ, dạng áp, dòng của một NL nguồn dòng 3 pha .
V.3 KHẢO SÁT NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP:
Trang 7
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
1. Sơ đồ một pha :
uo
+
Có thể xem BBĐ áp một
D1
S1
chiều làm việc 4 phần tư điều khiển
C1
T
chung ở chương 4 với áp ra có trị
U
trung bình bằng không là một trong
+
uo
những bộ nghịch lưu nguồn áp một
U
S2
S2
pha, được gọi là sơ đồ cầu khi dùng 4
_
C2
_ S1
D2
D1
D2
ngắt điện (hình V.1.2.c) hay ½ cầu
dùng hai nguồn (hình V.1.8).
(a)
(b)
Hình V.3.1 cho ta hai dạng
Hình V.3.1: NL nguồn áp, sơ đồ một pha
mạch khác của nghịch lưu nguồn áp
1 pha, là sơ đồ nửa cầu (a)- khi một nhánh cầu thay bằng phân áp tụ điện và sơ đồ đẩy kéo (b).
Hai sơ đồ này chỉ có thể dùng cho các bộ nghịch lưu vì cầu phân áp dùng tụ và biến áp chỉ làm
việc với tín hiệu xoay chiều.
Có thể nhận xét dễ dàng là trình tự đóng ngắt các ngắt điện cuả các sơ đồ này sẽ giống
như ở BBĐ chiều làm việc 4 phần tư nhưng luật điều khiển sẽ thay đổi, cơ bản nhất là để đãm
bảo trung bình áp ra bằng không.
Các ngắt điện như vậy phải có khả năng đóng ngắt theo yêu cầu điều khiển, không phụ
thuộc tải. Hiện nay ở dòng tải khoảng vài trăm Ampe, người ta thường dùng linh kiện họ
transistor (IGBT, transistor Darlington, MosFET) và có thể dùng SCR + mạch tắt hay GTO ở
công suất cao hơn.
Có thể tính toán dạng dòng, áp ởû tải RL một cách chính xác bằng cách khảo sát hoạt động
của mạch trong chu kỳ tựa xác lập như ví dụ sau.
Ví dụ V.3.1: Tính toán dạng dòng của bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch
pha hình V.4.3. Áp nguồn U, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển θ, độ rộng xung áp
q = T ⋅ (π − θ) / 2π , q tính bằng giây.
Xét chu kỳ tực xác lập, khi dòng điện lập lại theo chu kỳ T.
Gọi giá trị dòng qua tải khi t = 0 là I1 . Ta có phương trình vi phân khi S1, S4 đóng:
di
+ Ri với điều kiện đầu i (0) = I1,
dt
U ⎛
U⎞
suy ra i = + ⎜ I1 − ⎟ ⋅ e− t /τ với τ = L / R . Khi t = q, i = I2 với
R ⎝
R⎠
U=L
U ⎛
U⎞
+ ⎜ I1 − ⎟ ⋅ e− q /τ <vdV.3.1.1> . Lúc này, S4 ngắt, S3 đóng. Dòng qua tải
R ⎝
R⎠
không thay đổi tức thời,chảy qua S1, D3. Ta có phương trình vi phân:
I2 =
0=L
di
+ Ri với điều kiện đầu i (0) = I2 , khi lấy lại gốc toạ độ. suy ra
dt
i = I 2 ⋅ e − t / τ . Khi t = T − q , i = - I1 vì có sự đối xứng hai bán kỳ dương và âm; ta có
2
− (T − q) / τ
⋅e 2
<vdV.3.1.2>
− I1 = I 2
Caùc pt <vdV.3.1.1>, <vdV.3.1.2> cho phép ta tính được các giá trị I1, I2, và vẽ được dạng
dòng tải.
U 1 − e− q /τ
,
I2 =
R 1 + e− T / 2τ
Trang 8
I1 = − I2 ⋅ e
−( T2 − q) / τ
−( T − q ) / τ
V e− T / 2τ − e 2
=
R
1 + e− T / 2τ
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
−T / 2τ
Kiểm tra lại: khi q = T/2 thì I1 = V e −T / 2−τ1 = − I 2
R 1+ e
2. Sơ đồ ba pha :
Logic ba pha:
( ba ngắt điện làm việc cùng lúc).
Nghịch lưu nguồn áp nhiều pha có thể bao
gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha làm việc pha A S1
−>
S4
−>
S1
lệch pha một góc qui định của hệ nhiều pha pha B
S2
−>
S5 −>
tương ứng, ví dụ 2π/3 ở hệ 3 pha. Thường pha C
S6
−>
S3
−>
S6
gặp nhất là nghịch lưu nhiều pha được tạo
S1 −>S6 −>S2 −>S4 −>S3 −>S5 −>S1
thành từ những nửa cầu như hình
V.3.2.b là sơ đồ ba pha, gồm 3 nhánh làm việc lệch nhau 2π/3 từng đôi một. Với nguồn là
nguồn áp và có diod phóng điện song song với mỗi ngắt điện, năng lượng truyền được hai chiều
giữa nguồn và tải làm cho áp ra có dạng các xung vuông có biên độ là biên độ áp nguồn. Khác
với nghịch lưu nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp ba pha có thể sử dụng logic ba pha có hai hay ba
ngắt điện làm việc cùng lúc.
Hình V.3.2.a gồm dạng xung điều khiển các ngắt ngắt điện, dạng áp, dòng ra tải RL của
một sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp. Nhận xét là mỗi lúc có 3 ngắt điện làm việc. Dạng dòng
và áp pha vẽ trên hình 5.11.a là của mạch tải RL nối Y.
S1
S4
S5
+
U
S2
S6
2
S3
uAB
2
D3
S3
B
D4
C
D5
S4
D6
S5
_
uA
D2
S2
A
n
U
t
D1
S1
R
S6
R
R
iA
N
L
L
L
(b)
Hình V.3.2: NL nguồn áp ba pha, các dạng sóng (a) và
mạch động lực (b).
(a)
Dạng sóng ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha có dạng xung điều khiển hình V.3.2a được
gọi là dạng sóng 6 nấc, được xem là căn bản cho việc khảo sát đặc tính NL nguồn áp ba pha.
Khác với nghịch lưu nguồn dòng chỉ có một sơ đồ điều khiển như đã trình bày, nghịch lưu
nguồn áp có thể được điều khiển bằng nhiều thuật toán khác nhau.
Để tính toán áp ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp, người ta thường giả sử như nguồn có điểm
giữa n(hình V.3.2), áp các pha đối với trung tính nguồn uAn, uBn, uCn và các áp dây uAB , uBC ,
uCA có các quan hệ:
uAB = uAn − uBn
uBC = uBn − uCn
vCA = vCn − vAn
<V.3.1>
uAB + uBC + uCA = 0
Khi điều khiển S1 = S4 (S1 và S4 làm việc ngược pha), ta có thể chứng minh là các áp
pha uAn, uBn, uCn và các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện. Hệ thống
như vậy còn gọi là điều khiển hoàn toàn (toàn phần). Hệ thống được gọi là điều khiển không
Trang 9
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
hoàn toàn nếu có khoảng thời gian cả hai ngắt điện của nửa cầu đều không làm việc. Khi đó, áp
ra sẽ phụ thuộc vào dòng phóng điện qua diod, và như vậy áp ra sẽ phụ thuộc tải.
Hình V.3.2.a cho thấy áp dây uAB của dạng sóng 6 nấc là xung vuông. Để tính các áp
pha tải uAN , ta giả sử tải nối hình sao, đối xứng và có trung tính là N, tổng dòng điện tải:
iAN + iBN + iCN = 0 => uAN + uBN + uCN = 0
Ta có các quan hệ sau khi bỏ qua chỉ số N của áp pha tải uAN (viết lại uA cho đơn giản):
1
uA = (uAB − uCA )
3
uBC = uB − uC
1
Từ
suy ra: uB = (uBC − uAB )
uCA = uC − uA
3
1
uA + uB + uC = 0
uC = (uCA − uBC )
3
uAB = uA − uB
hay
1
uA = (2uAn − uBn − uCn )
3
1
uB = (2uBn − uAn − uCn ) <V.3.2>
3
1
uC = (2uCn − uAn − uBn )
3
Từ đây có thể tính được áp pha tải uA có dạng nấc thang và khảo sát trong một chu kỳ tựa
xác lập dạng dòng bao gồm các đoạn hàm mũ là dòng điện qua RL khi áp thay đổi nhảy cấp.
Tính trực tiếp thành phần cơ bản (hữu dụng) áp pha tải u1A từ áp pha so với trung tính
nguồn u1An: Đặt uNn là áp giữa trung tính N của tải và trung tính nguồn n (còn được gọi là
thành phần thứ tự 0), ta có:
uAn = uA + uNn , uBn = vB + vNn , uCn = vC + uNn , suy ra uAn + uBn + uCn = 3.uNn .
Khai triển Fourier từng thành phần của biểu thức trên, có thể thấy là uNn chỉ có hài bội 3,
suy ra thành phần cơ bản (hữu dụng) là hài bậc 1 của áp pha A đối với trung tính nguồn U1 An
cũng bằng hài bậc 1 của áp pha A tải U1 A :
U1 An = U1 A <V.3.3>
Chứng minh này cũng cho thấy kết quả trên không phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động
của sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha, và đây cũng chính là cách tính thành phần cơ bản của áp
pha tải từ luật điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha.
CHÚ Ý: Có thể tính trực tiếp áp pha tải hình Y khi xét các trạng thái đóng ngắt mạch tải
vào nguồn của của bộ nghịch lưu như bài tập V.3.3 (hình V.3.2d)
Bài tập V.3.1: Giả sử bộ nghịch
lưu nguồn áp hình V.3.2 nối tải RL hình
sao, hãy vẽ dạng áp ra (hình V.3.2.a) và
tính trị số hiệu dụng áp dây, áp pha.
Từ trạng thái của các ngắt điện,
ta có các trường hợp nối tải vào nguồn
như hình V.3.2.d. Từ đó suy ra áp pha tải
Hình V.3.2.d: Các trường hợp nối tải vào nguồn U tương ứng
như hình V.3.2.a:
với các trạng thái của ngắt điện.
Trường hợp 1: S1, S2, S3 hay S4, S5, S6 đóng:
uA = 0 (không xảy ra ở đây)
Trường hợp 2: S1, S5, S6 đóng:
uA = 2 V/3
Trường hợp 3: S1, S2, S6 hay S1, S5, S3 đóng:
uA = V/3
Trường hợp 4: S4, S2, S3 đóng:
uA = -2 V/3
Trường hợp 5: S4, S5, S3 hay S4, S2, S6 đóng:
uA = -V/3
Trang 10
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
Tích phân các dạng sóng hình V.3.2.a để tính hiệu dụng, ta có:
áp dây U AB = U 2 / 3 aùp pha: U A = U 2 / 3 (ứng với biên độ bằng 2U / 3 và 2U / 3 )
Có thể sử dụng công thức ở phần điều
khiển áp và tính hiệu dụng áp pha bằng hiệu
dụng áp dây chia cho 3 .
3. Nghịch lưu đa bậc (nhiều nấc):
Mục đích làm cho dạng áp ra gần với
hình sin hơn (hình V.3.3).
2
0
wt
Có nhiều cách thực hiện NL đa bậc:
- Sử dụng nguồn có nhiều cấp điện áp
và nhiều ngắt điện nối tiếp.
- Nối tiếp nhiều bộ NL một pha có Hình V.3.3: Dạng sóng áp ra NL 5 nấc điện áp.
nguồn riêng (cell nghịch lưu một pha).
- Nối tiếp nhiều bộ NL một pha làm việc lệch pha bằng biến áp ngỏ ra (hình V.3.6).
uo2
NL1
Nguồn
mộ t chiều
uo
uo1
NL2
Hình V.3.6: Nguyên lý cộng hai dạng áp nghịch lưu
dùng biến áp để tạo ra dạng sóng nấc thang
Hình V.3.7.b: Dạng sóng 12 nấc thang
Nghịch lưu đa bậc ghép biến áp ngõ ra: (hình V.3.6)
Bao gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha hoạt động
- Mỗi cấp có bề rộng như nhau.
- Sử dụng biến áp để cộng các xung vuông thành áp nấc thang.
- Số bậc bằng 2 lần số bộ nghịch lưu một pha.
- Đơn giản nhất nhưng kích thước lớn, hiệu suất không cao.
Bảng tổng hợp áp 3 pha từ 6 thành phần 1 pha lệch 30O:
Pha
U1
U2
A
1
1/ 3
B
C
-1
U3
U4
U5
U6
- 1/ 3
-1
-2/ 3
1
1/ 3
1/ 3
1
2/ 3
-2/ 3
-1
- 1/ 3
1/ 3
1
2
3
1
3
0
C
A
Hình V.3.7.a: Tổng hợp dạng sóng 12 nấc từ 6 nguồn
B
nghịch lưu một pha
U5 U6
U1 U2 U3 U4
U1 U2 U3 U4 U5 U6
U1 U2 U3 U4 U5 U6
Hình V.3.7 giải thích nguyên lý tổng hợp dạng sóng 12 nấc thang ba pha từ 6 bộ NL một
pha làm việc lệch 30O, dấu – cho biết phải đảo cực tính cuộn dây. Mỗi pha tải được cung cấp
bằng mạch nối tiếp 5 cuộn thứ cấp của biến áp ngỏ ra các bộ NL một pha với biên độ có tỉ lệ
Trang 11
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
theo bảng trên hình V.3.7.a.
4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp:
Có thể tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp bằng cáchø
xem các sóng hài bậc cao là không đáng kể khi khảo sát mạch
bằng nguyên lý xếp chồng. Khi đó, ta chỉ tính toán với thành
phần cơ bản (sóng hài bậc 1) với mạch tương đương vẽ trên hình
V.3.8. u1, i1 là thành phần cơ bản của áp, dòng tải, TẢI chính là
mạch tương đương của phụ tải, được tính ở tần số làm việc w. u1
có được bằng cách phân tích Fourier dạng áp ra (mục V.4).
i
1
u
1
Tả i
Hình V.3.8: Tính toán gần đúng
nghịch lưu nguồn áp
Từ mạch tương đương này ta tính được dòng tải, công suất tiêu thụ gần đúng và suy ra
những hoạt động của tải.
Để đánh giá tác dụng của áp ra BBĐ không hình sin, ta tiếp tục sử dụng nguyên lý xếp
chồng để tính toán dòng, áp, công suất của các sóng hài bậc cao, công việc cũng tương tự như
tính toán với thành phần cơ bản.
Bài tập V.3.4:
a. Cho bộ nghịch lưu nguồn áp có áp ngỏ ra dạng 6 nấc, áp cấp điện một chiều U = 300VDC, tải
nối hình Y, R = 10 ohm, L = 0.1 H, tần số làm việc 50 Hz. Tính dòng (hiệu dụng) qua tải khi xem
các sóng hài bậc cao là không đáng kể.
b. Tính hệ số méo dạng THD% của dòng điện khi xét đến hài bậc 7.
Giải:
a. Theo kết quả của bài tập V.4.2, hiệu dụng thành phần cơ bản
của áp pha:
U 2
= 0.45U = 0.45*300 = 135 V
U1AR =
π
i
1
jwL
u
1
R
Điện kháng XL ở 50 Hz là XL = wL = 100π*L = 31.4 ohm
Mạch tương đương
Hình V.3.9
Vì các sóng hài bậc cao xem là không đáng kể, dòng qua tải chỉ có thành phần cơ bản (hài
bậc 1), vẽ mạch tương đương hình V.3.9 :
I1R = U1R / R2 + (wL) 2 = 135 / 102 + 31.42 = 4.1A
b. Khi xét đến hài bậc 7, hai sóng hài bậc 5 và 7 được xem như tín hiệu không mong muốn và
THD% có dạng:
∞
THDI % = 100
∑I
n= 2
I1R
2
nR
= 100
I R2 − I12R
I1R
= 100
I52R + I72R
I1R
Tổng trở đối với hài bậc 5: Z5 = R2 + (5wL) 2 ≈ 5wL vaø tương tự Z7 = 7wL
Cũng theo KQ bài tập V.2, sóng hài bậc 5 và bậc 7 của áp pha:
4U 2
5π
5π 4U 2 ⎛
3⎞ ⎛
3 ⎞ U 2 300 2
=
i⎜⎜ −
=
= 27 V
U5 R =
sin
cos
⎟⎟i⎜⎜ −
⎟=
3.5π
3
6
15π ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎟⎠
5π
5i3.14
Trang 12
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
U7 R =
4U 2
7π
7π 4U 2 ⎛ 3 ⎞ ⎛
3⎞
U 2
300 2
i⎜⎜
=
=−
= −19.3 V
sin
cos
⎟⎟i⎜⎜ −
⎟⎟ = −
3.7π
3
6
21π ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
7π
7i3.14
Dấu – cho thấy sự lệch pha, không ảnh hưởng đến tính toán hiệu dụng:
I5R = 27/(5*31.4) = 0.17 A, I7R = 19.3/(7*31.4) = 0.08 A,
THD% = 100 0.172 + 0.082 /4.1=0.86%
Vậy có thể thấy là sóng hài bậc cao của dịng tải không đáng kể trong trường hợp này.
V.4 ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI:
Như chúng ta đã khảo sát, các bộ nghịch lưu làm việc trong chế độ đóng ngắt nên dòng,
áp ra không hình sin. Đặc trưng của các dòng áp trên tải có thể trình bày theo hai cách: giá trị
hiệu dụng (nếu tải không được xác định cụ thể) hay thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) nếu tải
thuộc loại làm việc với nguồn hình sin (như động cơ xoay chiều). Giá trị hiệu dụng của dạng
sóng thường được tích phân trực tiếp còn các sóng hài có thể được tính bằng nguyên lý xếp
chồng các thành phần Fourier áp hay dòng ngỏ ra.
1. Công thức căn bản để phân tích
Fourier điện áp ngỏ ra nghịch lưu nguồn áp:
u
U
a
π
Dạng sóng nghịch lưu điều rộng xung
2
wt
π
2
vO trên hình V.4.1 cho phép ta phân tích sóng
0
hài hầu hết các dạng áp ra của mạch nghịch
lưu nguồn áp thường gặp mà không phải tích
-U
phân.
Hình V.4.1: Dạng xung cơ bản cho phân tích sóng
hài nghịch lưu
Trên đồ thị thời gian, trục tung được dời đến vị trí trục đối xứng để khai triển Fourier của vO
không có thành phần sin, Ngoài ra, vì uO có π/2 là tâm đối xứng nên nó cũng không có tần số
bội chẵn (n ≠2k):
uo =
Un =
1
π∫
2π
2
a/2
0
∑
n = 2 k+1
U n cos ( nwt ) k = 0, 1, 2, 3… với tích phân theo biến ω t:
uo ⋅ cos ( nwt ) dwt =
2
π /2
π∫π
− /2
uo ⋅ cos ( nwt ) dwt
wt = a / 2
2U
⎡⎣sin ( nwt ) ⎤⎦ wt=− a / 2
U n = ∫ U ⋅ cos ( nwt ) dwt =
π −a/ 2
nπ
⇒ Un =
4U
na
sin
nπ
2
<V.4.1>
Khi a = π (xung chữ nhật)
n−1
4U 4U 4U 4U
4U
n = 1,3,5,7,9.. ⇒ U n =
,−
,
,−
,
,...(−1) 2
<V.4.1*>
3π 5π
7π 9π
nπ
π
4U
Baøi tập V.4.1: Không cần tích phân, tính thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1) của ngỏ ra
nghịch lưu nguồn áp 3 pha (hình V.1.7):
- Áp dây có biên độ U, bề rộng xung a = 2π/3:
4U
π 2U 3
sin =
Biên độ thành phần cơ bản áp dây U1 =
3
π
π
Trang 13
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
- Áp pha (dạng sóng 6 nấc)
uA = u1 + u2 , u1 có biên độ V/3, bề rộng
xung a = π/3; u2 có biên độ U/3, bề rộng
xung a = π , vậy biên độ thành phần cơ bản
áp pha:
uo
u1
2U/3
u2
0
π
2π
wt
-U/3
4U
π 4U
π 2U
U1 =
sin +
sin =
3π
6 3π
2
π
- 2U/3
Bài tập V.4.2:
bội k:
1. Chứng minh dạng sóng lệch pha hình V.4.3 có góc lệch pha θ = 2π / k không có hài bậc
Khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha θ = 2π / k , bề rộng xung sẽ là θ và biên độ các sóng
4U
n.π
sin
hài là U n =
, U n = 0 khi n là bội số của k .
nπ
k
Vì thế trong các bộ nghịch lưu ba pha, tải không bao giờ có hài bội 3 vì các pha được điều
khiển lệch nhau 2π / 3 và ta có thể bỏ qua hài bội 3 khi tính toán thiết kế dạng áp điều khiển
nghịch lưu 3 pha.
2. Chứng minh ở dạng sóng 6 NẤC hình V.3.2a:
- các thành phần Fourier của áp dây vẫn bằng
3 các thành phần tương ứng của áp pha.
- Tỉ số giữa các sóng hài bậc cao trên thành phần cơ bản (bậc 1) của áp dây và áp pha là
như nhau.
Giải:
Áp dây AB: Biểu thức tổâng quát cho giá trị hiệu dụng sóng hài bậc n áp dây
2U 2
nπ
U ABnR =
sin
với n lẻ:
nπ
3
U 6
= 0.78U
bằng 0 khi n là bội 3. Thành phần cơ bản ứng với n =1: U1AB
R =
π
Áp pha A: Biểu thức tổâng quát cho giá trị hiệu dụng với n lẻ, bằng 0 khi n là bội 3:
2U 2
nπ
nπ
4U 2
nπ
nπ
U AnR =
[sin
]=
sin
cos
+ sin
3nπ
6
2
3nπ
3
6
U 2
Thành phần cơ bản ứng với n =1: U1AR =
= 0.45U.
π
- Tỉ số áp dây/áp pha bằng:
U ABnR 3 1
=
, với các giá trị khả dó của n: 1,5,7,11,13..
U AnR 2 cos nπ
6
ta có tỉ số trên bằng 3 .
- Tỉ số hài bậc cao/cơ bản:
4U
nπ
nπ
8U
nπ
nπ
nπ
nπ
sin
sin
sin
cos
sin
cos
U ABn nπ
3 =
3 ; U An = 3nπ
3
6 =
3
6
=
4U
8U
π
π U A1
π
π
π
π
U AB1
sin
sin cos
n.sin
n.sin cos
3
3
3π
3
6
3
6
π
Với n = 5, 7, 11, 13… là các bậc của sóng hài nghịch lưu 3 pha, ta có |cos(nπ/6)|= |cos(π/6)|.
Điều này có thể đoán nhận do tính tuyến tính của phân tích Fourier và quan hệ aùp daây - aùp pha.
Trang 14
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
2. Bài toán điều khiển áp ra:
U/m
Với tính cách là bộ biến đổi năng lượng, áp ra luôn
là một thông số điều khiển. Điều khiển áp ra của bộ
nghịch lưu nhằm mục đích:
(b)
- Giữ ổn định điện áp ngỏ ra, tránh các sụt áp do
tải, nguồn và cả do các phần tử trong mạch.
(a)
f
- thay đổi theo yêu cầu của tải. Tải động cơ cần
được cung cấp điện áp tỉ lệ với tần số để động cơ không
Hình V.4.2: Đặc tính U / f = hằng số
bị bảo hòa từ.
theo lý thuyết (a) và thực tế (b)
Ta có các phương pháp sau:
a. Thay đổi áp nguồn cung cấp:
Làm biên độ áp ra thay đổi, thường sử dụng khi nghịch lưu là nguồn dòng hay áp ra có
dạng cố định. Khi đó, bộ NL thường được cung cấp điện DC từ bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển
pha hay qua BBĐ áp DC.
b. Điều chế độ rộng xung:
Trong các bộ biến tần nguồn áp hiện đại, người ta sử dụng điều chế độ rộng xung để điều
khiển điện áp ngỏ ra. So với thay đổi biên độ, sơ đồ điều khiển phức tạp hơn vì kết hợp cả điều
khiển áp và tần số vào cùng một chỗ nhưng mạch động lực cũng vì thế mà đơn giản, kinh tế hơn.
+
U
D1
S1
io uo
U
_
D3
D2
S2
S3
-I 1
I1
D4
S4
uo
I2
θ
π
wt
2π
S1 = -S2
S3 = -S4
(a)
(b)
Hình V.4.3: Điều khiển áp ra bằng lệch pha (điều rộng một xung)
Có hai phương án: điều chế một xung (hình V.4.1) và điều chế nhiều xung (hình V.4.4).
Hình V.4.3 giới thiệu nguyên lý điều chế độ rộng một xung bằng điều khiển lệch pha. Khi hai
nửa cầu đóng ngắt lệch pha, thời gian các ngắt điện cung cấp năng lượng cho tải giảm, làm giảm
áp ra.
Công thức <V.4.1> cho thấy các thành phần Fourier của áp ngỏ ra khi điều chế một xung.
Với tải thường gặp trong công nghiệp là động cơ, các sóng hài bậc cao thường không có ảnh
hưởng lớn ở tần số lân cận định mức nên điều chế một xung cho kết quả khá tốt. Khi giảm tần số
cung cấp, dòng điện động cơ tăng cao khi điều khiển một xung. Điều này có thể giải thích bằng
hiện tượng bão hòa từ đã làm tự cảm cuộn dây giảm nhỏ, và ta phải tăng tần số điều chế độ rộng
xung tương ứng với điều chế nhiều xung.
Trong hình V.4.4, việc chia một bề rộng thành nhiều xung trong một bán kỳ có thể làm
cho dòng đươc giữ ở giá trị bé so với trường hợp một xung
Trang 15
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
uo
U
io
wt
−U
S1 = -S2
S4 = -S3
π
2π
Hình V.4.4: Sơ đồ điều rộng nhiều xung (NL một pha) khi
điều khiển hoàn toàn (sơ đồ cầu)
Hình V.4.5: Dạng áp, dòng NL nguồn áp một
pha khi điều khiển không hoàn toàn (mạch
động lực hình V.3.1: sơ đồ ½ cầu hay biến áp
có điển giữa)
Các sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp chia làm hai nhóm: điều khiển hoàn toàn
khi ở một nửa cầu luôn có 1 ngắt điện làm việc hay điều khiển không hoàn toàn khi có lúc không
có ngắt điện làm việc. Khi điều khiển hoàn toàn, áp ra được xác định từ luật điều khiển. Ngược
lại, khi điều khiển không hoàn toàn, áp ngỏ ra xác định theo dòng phóng điện (hình V.4.4 và
V.4.5) khi không có ngắt điện trên nhánh nữa cầu làm việc. Các hệ thống điều khiển có chất
lượng cao (ví dụ nghịch lưu điều rộng xung hình sin) sử dụng điều khiển hoàn toàn trong khi các
bộ biến đổi chỉ sử dụng bộ nghịch lưu làm trung gian (bộ nguồn xung) thường dùng sơ đồ không
hoàn toàn.
Bài tập V.4.3: Khảo sát áp ra của bộ nghịch lưu có bề rộng xung q không đổi (tính bằng
giây) khi tần số f thay đổi (giả sử điều khiển
u
U
hoàn toàn).
q
Gọi q là bề rộng xung tính bằng giây,
t
T/2
là không đổi trong bài tập này. Tần số f của
0
bộ nghịch lưu thay đổi, lớn nhất ứng với trị
số chu kỳ tối thiểu 1/fMAX bằng 2.q . Bề rộng
-U
xung tính bằng độ bằng: θ = w ⋅ q = 2πf ⋅ q .
Hình BTV.3
4U
θ
4U
sin (π . f .q) .
2 π
Để có kết quả khảo sát tổng quát, đặt tần số f’ = f/fMAX với fMAX = 1/2.q hay f = f’. fMAX suy ra hàm
số cần khảo sát trở nên: U1' = U1 / ( 4U π ) = sin π 2⋅ f ' , trong đó f’ thay đổi trong khoảng 0 .. 1.
Biên độ sóng hài bậc n = 1 (thành phần cơ bản) là
U1 =
π
sin
=
U’ có dạng hình sin. với khoảng tần số thay đổi hợp lý, khá xa tần số cực đại fMAX, áp ra có
thể xem là tuyến tính theo tần số. Nguyên lý này cho phép xây dựng sơ đồ điều khiển rất đơn giản
để thực hiện nguyên lý U/ f = hằng số.
Bài tập V.4.4: Khảo sát sóng hài của bộ nghịch lưu điều khiển lệch pha theo góc lệch pha.
(giả sử điều khiển hoàn toàn).
Như đã chứng minh, khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha θ, ta có dạng xung điều rộng, bề
rộng xung là θ và sóng hài bậc n là:
Trang 16
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
4U
nθ
sin
, n chỉ có các giá trị
nπ
2
lẻ và θ thay đổi trong khoảng từ 0 .. π.
Un =
Khảo sát hàm số
U n' =
Un
4U
=
π
1
n ⋅θ
sin
theo θ cho ta đồ thị
n
2
sau với n =1, 5, 7, 11, 13. Các hài bội ba
không cần xét khi dạng sóng được ứng dụng
cho hệ ba pha.
3. Bài toán hạn chế sóng hài ngỏ
ra:
Hình BTV.4
a. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao:
lõi sắt.
Các sóng hài bậc cao có các tác dụng:
- Gây phát nóng phụ: do sóng hài bậc cao dòng điện làm tăng tổn hao trong dây dẫn và
- Gây momen phụ: do các thành phần 3 pha bậc cao tạo ra trong động cơ xoay chiều.
b. Các phương pháp:
Có nhiều phương pháp để hạn chế sóng hài bậc cao, chia làm hai nhóm:
- Sử dụng bộ nghịch lưu nhiều bậc (dạng sóng nấc thang): Ta đã biết dạng sóng nấc thang
vốn có sóng hài bậc cao rất bé, sóng hài tần số bé hơn (n±1) lần tần sô cơ bản là không đáng kể,
n: số nấc thang. Nghịch lưu nhiều bậc ghép biến áp ngỏ ra đã được sử dụng từ rất lâu và hiện nay
các sơ đồ nghịch lưu nhiều bậc không dùng biến áp có nhiều hứa hẹn khi giá thành bán dẫn công
suất giảm và yêu cầu chất lượng BBĐ càng tăng.
Để thay đổi áp ngỏ ra, ta có thể thay đổi độ rộng xung các bộ biến đổi thành phần.
Có nhiều phương pháp: điều chế độ
rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải
tiến, triệt tiêu các hài chọn trước, dùng bộ so
sánh có trễ (điều rộng thích nghi), điều rộng
vector không gian (SVPWM).
u
c
7
Bài tập V.4.5: Dùng MatLAB hay MathCAD phân tích sóng hài của dạng sóng 12 nấc
thang hình V.3.7.b, dùng số liệu của bảng hình V.3.7.a.
- Điều chế độ rộng xung (PWM): Là dạng điều chế nhiều xung, nếu các độ rộng xung
thay đổi theo quy luật thích hợp, sóng hài ngỏ ra sẽ được hạn chế đáng kể. Ưu điểm lớn nhất của
các phương pháp này là mạch động lực đơn giản, gọn nhẹ nhưng bất lợi là yêu cầu khả năng
đóng ngắt ở tần số cao, mạch điều khiển phức tạp. Một nhược điểm khác là sóng hài ở tần số
của sóng mang có biên độ rất lớn so với dạng sóng nấc thang. Tuy nhiên, dòng điện của những
sóng hài này không lớn vì tải công nghiệp thường có tự cảm, tác dụng của chúng có thể làø: gây
tiếng ồn, nhiễu tần số cao, phát nóng trong lõi thép.
3
6
u REF
u
đk
4
2
Hình V.4.6.a: Nguyên lý của điều rộng xung hình sin
4. Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM):
Trang 17
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
a. Nguyên lý: Để hạn chế sóng hài bậc
cao, ta điều chế độ rộng xung với áp chuẫn
(điều khiển) có dạng sin. Trong hình V.4.6a,
áp chuẩn hình sin uREF có tần số ngỏ ra fO
được so sánh với sóng mang tam giác uC có
tần số fC để tạo ra luật đóng ngắt các nhánh
cầu nghịch lưu. Trong 1 chu kỳ điều rộng
T = 1/ fC ta có (hình V.4.6b):
UCMAX
u[n]
u
U
(t)
REF
uav
t
t
T
t on
u
t
u[n]
= av = 2 on − 1 <V.4.2>
U CMAX U
T
uo
T
t on
-U
với uav là trung bình trong chu kỳ T
Hình V.4.6.b: Sự tương đương của xung điều rộng và
của 1 xung áp ngỏ ra hai cực tính có biên độ
xung nấc thang
U, u[n] là giá trị của uREF tại chỗ giao với sóng mang uc , UCMAX là biên độ cực đại của sóng
mang uc . <V.4.2> cho phép thay thế các xung điều rộng bằng giá trị trung bình uav trong chu
kỳ điều chế T tương ứng và như vậy dạng sóng điều rộng đã được đưa về dạng nấc thang.
Khi fc đủ lớn, dạng nấc thang “tương đương” này tiến đến hình sin. Một cách gần đúng,
<V.4.2> cho phép ta tính toán biên độ u1 tại mỗi thời điểm của thành phần cơ bản áp ra nghịch
lưu theo biên độ áp chuẫn (điều khiển) uREF và biên độ xung áp ngỏ ra U:
u
u1
U U
= REF và 1 = REFMAX <V.4.2a>
U U CMAX
U
U CMAX
Tương tự, có thể tính U1 là biên độ thành phần cơ bản theo UREFMAX là biên độ
của áp chuẫn. UCMAX là biên độ của dóng mang răng cưa.
Ví dụ: Tính thành phần cơ bản
của áp ra bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ
cầu, các thông số: áp nguồn động lực
một chiều U = 200V, biên độ sóng
mang uc là Ucmax = 10V, biên độ áp
chuẫn (điều khiển) UREFMAX = 5V.
Tính giá trị của thành phần cơ bản của
áp ra khi uREF = 2V.
Giải:
Vì là sơ đồ cầu, biên độ áp
nghịch lưu là U = 200V. Biên độ thành
phần cơ bản của áp ra nghịch lưu là
200*5/10 = 100V. Khi uREF = 2 volt,
biên độ thành phần cơ bản của áp ra
là 200*2/10 = 40V. Theo <V.3.3>,
đây cũng là các điện áp của thành
phần cơ bản áp pha tải nối Y.
Hình V.4.6c: Các dạng sóng điều rộng xung hình sin
Hình V.4.6c cho ta 1 ví dụ của dạng sóng điều chế xung sin. Từ phổ của nó (hình V.4.6d),
có thể nhận xét là các sóng hài có tần số không lân cận với bội số sóng mang n.fC rất bé, đúng
Trang 18
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
với ý nghiã của phép điều chế.
10.087793
12
10
8
y
6
m
4
2
0
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
m
110
120
128
Hình V.4.6.e: Phổ của dạng sóng SPWM hình d. Thành phần có n = 41, 43, 83, 85 là có biên độ cao nhất
b. Thông số kỹ thuật điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu:
* Chỉ số điều chế biên độ ma (còn gọi là chỉ số điều chế – modulation index): là tỉ số giữa
biên độ UP của áp chuẫn uREF và biên độ sóng mang răng cưa UCMAX :
ma =
ma
là thông
UP
U CMAX
số điều khiển, đặc trưng cho yêu cầu điều khiển, có thể lớn hay nhỏ hơn 1.
* Chỉ số điều chế tần số mf (thường gọi là bội số điều chế tần số – frequency modulation
ratio – vì nó luôn lớn hơn hay bằng 1): là tỉ số giữa tần số sóng mang fC và tần số ngỏ ra fO , là
f
thông số của sơ đồ điều khiển: mf = C ,
fO
* Chỉ số điều chế điện áp mO (gọi tắt là chỉ số điện áp): là tỉ số giữa áp hài bậc 1 của hai
dạng sóng: áp có điều chế U1 và không có điều chế U1V (ví dụ xung vuông ở sơ đồ 1 pha hay
dạng sóng 6 nấc của sơ đồ 3 pha). Chỉ số này có cùng giá trị khi tính với giá trị hiệu dụng hay
U
biên độ của các điện áp: mO = V1 ;
U1
Chỉ số điện áp mO là đặc trưng quan trọng nhất cho một sơ đồ điều chế độ rộng xung nên
trong một số tài liệu được gọi là chỉ số điều chế.
mO (và U1 ) là một hàm số của chỉ số điều chế biên độ ma , nó có cùng gía trị cho các
điện áp trong cùng một sơ đồ động lực (ví dụ nghịch lưu 3 pha) vì các điện áp này quan hệ tuyến
tính với nhau. mO giúp ta đánh giá hiệu quả của một phương án SPWM.
Trong sơ đồ NL ba pha, chỉ số điện áp mO tính bằng tỉ số biên độ U1 hay giá trị hiệu dụng
U1R của thành phần cơ bản áp pha tải uA theo biên độ thành phần cơ bản U1sixstep của áp pha khi
điều khiển 6 nấc thang (là trường hợp không điều khiển tương ứng). Với U1sixstep lấy ở bài taäp
Trang 19
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
V.4.1:
mO =
U
U1
U
= 2 1 = 2 1R <V.4.3>
sixstep
U1
πU
π U
in
với U là áp nguồn một chiều và U1R là hiệu dụng thành
phần cơ bản áp pha tải.
* Sóng hài dòng (áp) có thể đánh giá qua THD% của
dòng (áp) ngỏ ra:
Hệ số biến dạng (toàn phần) % dòng điện ngỏ ra:
∞
THDI % = 100
∑ InR2
n= 2
I1R
∞
I2 − I2
= 100 R 1R = 100
I1R
∑I
n= 2
u
n
jnwL
R
Hình V.4.7: Mạch tương đương ở
sóng hài bậc n, tải RL
2
n
I1
trong đó: IR, : giá trị hiệu dụng, I1R :hiệu dụng thành phần cơ bản, I1 :biên độ thành phần cơ bản
và In : biên độ thành phần bậc n của dòng ra
Từ mạch tương đương hình V.4.7, có thể tính được InR là hiệu dụng dòng điện bậc n của
U nR
U nR
I
U nR
Un
tải RL: InR =
. Nếu để ý UnR/U1R thường tỉ lệ
=
hay nR
2
nwL
I1R n ⋅ U1R n ⋅ U1
R2 + ( nwL )
với 1/n, dòng bậc cao giảm rất nhanh vì tỉ lệ 1/ n2.
c. Chỉ số điều chế điện áp mO của sơ đồ điều chế độ rộng xung hình sin SPWM ba pha:
Để tính chỉ số điều chế mO của sơ đồ nghịch lưu SPWM 3 pha, ta khai triển Fourier của
áp pha so với trung tính nguồn uAn với chỉ số điều chế biên độ ma ≤ 1 là thông số:
uAn = 0.5maU sin(wt + φ ) + H ( MwC ± Nw) <V.4.4>
Trong đó M và N là 2 số nguyên có tổng là lẻ, wC
là tần số góc của sóng mang và H là một hàm đại diện
cho các thành phần sóng hài bậc cao có tần số góc
MwC ± Nw . Nếu chỉ xét thành phần cơ bản:
uAn1 = 0.5maU sin wt <V.4.4a>
<V.4.4a> chính là <V.4.2a> khi lưu ý biên độ áp
ra chỉ là ½ áp nguồn 1 chiều.
Thành phần cơ bản của nghịch lưu xung vuông
tương ứng:
Hình V.4.8a: Chỉ số áp ngỏ ra mo theo chỉ
4U
V
số điều chế biên độ ma của điều rộng xung
U1 =
(do uAn có biên độ là V/2). Suy ra:
2π
hình sin SPWM, sơ đồ nghịch lưu 3 pha.
0.5maU π
mO =
= .ma = 0.7855ma <V.4.5> (khoảng tuyến tính trên hình V.4.8.a)
4U / 2π 4
Vì thành phần cơ bản của áp pha tải uA1 có cùng trị số với áp pha đối với trung tính nguồn
uAn : uA = uAn <V.3.3> ta có:
Biên độ thành phần cơ bản của áp pha tải U1 = 0.5maU và chỉ số điện áp mO của nghịch
lưu ba pha SPWM tính theo <V.4.3> cũng có cùng giá trị với <V.4.5>:
Trang 20
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
mO =
U1
= 0.7855ma
U1sixstep
Hình V.4.8b cũng cho thấy chỉ số điện áp mO trở nên phi tuyến khi ma > 1 (biên độ sóng
mang bé hơn áp chuẩn).
d. Điều chế độ rộng xung hình sin cải tiến: (Hình V.4.8b và V.4.8c)
Hình V.4.8c: chỉ số điện áp mO của điều chế độ rộng
xung
hình sin cải tiến
Hình V.4.8b: Dạng sóng chuần uREF khi nới rộng
vùng tuyến tính của PWM (modified SPWM)
Bằng cách thay đổi hình dạng của áp chuẩn uREF , chất lượng của SPWM có thể được cải
thiện, chủ yếu là các đặc tính:
- Giảm số lần đóng ngắt trong khi giữ được đặc tính sóng hài bậc cao thấp.
- Quan trọng hơn, là nới rộng phạm vi thay đổi áp ra trong khi vẫn giữ được quan hệ tuyến
tính của chỉ số điện áp ra mO.
- Làm đơn giản sơ đồ điều khiển.
Ví dụ như khi bổ sung vào áp chuẫn uREF thành phần thứ tự không (sóng hài bậc 3), ta có
thể nới rộng vùng tuyến tính của chỉ số điều chế đến 0.907 (hình V.4.8c). Có nhiều cách thực hiện:
- dạng áp chuẩn hình (a): là đơn giản nhất, khi nhận xét là do hài bội 3 không tồn tại
trong hệ 3 pha, ta có thể nâng cao thành phần cơ bản trong uREF và trừ bớt đi một lượng hài bậc
3 sao cho biên độ áp chuẩn vẫn bằng biên độ sóng mang tam giác:
uREF =
2
3
M ⎡⎣ cos( x) − 16 cos(3 x) ⎤⎦ ;0 ≤ M ≤ 1
Khi đó thành phần cơ bản áp ra tăng đáng kể trong khi sóng hài bậc ba của áp pha so với
trung tính sẽ tăng lên nhưng không có tác dụng với tải ba pha.
Bài tập V.4.6: Tính toán dòng áp ngỏ ra của bộ nghịch lưu ba pha điều rộng xung hình sin,
biết áp nguồn một chiều U, chỉ số điều chế biên độ ma , tần số ngỏ ra fO và tải là RL ba pha đối
xứng. Giả sử ngỏ ra chỉ có thành phần cơ bản (n =1) là đáng kể.
Giải: Xác định mO theo ma bằng đồ thị hình V.4.8a (hay theo <V.4.5> khi ma ≤ 1) khi điều
chế bình thường hay đồ thị hình V.4.8c khi điều chế cải tiến (bổ sung sóng hài bậc3). Sau đó dùng
<V.4.3> để tính ra áp pha ngỏ ra và suy ra các dòng áp cần thiết. Nếu làm việc trong vùng tuyến
tính (ma ≤ 1), có thể tính trực tiếp áp ngỏ ra pha A theo <V.4.4> khi chỉ xét thành phần cơ bản:
uA1 = 0.5maU sin wt <V.4.4a> => U1 = 0.5 maU
Trang 21
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
Lưu ý: Công thức <V.4.2> và <V.4.2a> là dạng tổng quát cho nghịch lưu, với U là biên độ
xung áp nghịch lưu trong khi ở <V.4.4> hay <V.4.4a> tính cụ thể cho nghịch lưu 3 pha, áp nguồn
một chiều có biên độ U.
Ví dụ bằng số: Tính biên độ áp pha bộ nghịch lưu 3 pha dùng điều rộng xung sin, áp nguồn
một chiều 200V, sóng mang tam giác uc có biên độ ±5V, áp chuẫn (điều khiển) biên độ 5V bằng 3
cách:
- Tính theo <V.4.2a>: Thành phần cơ bản của áp pha tải uA (cũng là áp pha nguồn uAn)
có biên độ là 200*5/(2*5) =100 volt vì uA có biên độ là 200/2 volt.
- Tính theo <V.4.4a>: ma = 1. U1 = 0.5 maU = 100 volt.
- Tính theo <V.4.5> ma = 1, mo =0.7855 ma = 0.7855. Bieân độ thành phần cơ bản dạng
sóng 6 nấc U1sixstep = 2U/π = 127.4 volt => U1 = 100 volt
khaùc:
5. Caùc phương pháp điều chế độ rộng xung
a. Điều chế theo mẫu:
Khi điều khiển dùng vi xử lý, việc tạo ra và so
sánh các dạng sóng thực hiện bằng phần mềm. Ta có
thể thay thế sóng hình sin bằng dạng sóng nấc thang
để giảm khối lượng tính toán như hình V.4.9.a .
Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng.
Hình V.4.9.a: Nguyên lý điều chế theo mẫu: thay
Khi điều chế đối xứng, số giá trị hình sin trong một
thế hình sin bằng dạng nấc thang
chu kỳ bằng bội số điều chế N = fC / fO (tần số lấy
n
n-1
T1(n)
ua(n)
UC
n+1
n
n-1
T1(n)
UM
ua(n)
ts(n)
0
UC
n+1
UM
ts(n)
0
T2(n)
T2(n)
Ts
Ts
Hình V.4.9b: Điều chế đối xứng
Hình V.4.9c: Điều chế không đối xứng
mẫu bằng tần số sóng tam giác). Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức (từ
hình V.4.9b) khi để ý các tam giác đồng dạng:
T1(n) =
TS ⎡ U C − ua (n) ⎤
n.2π
) <V.4.6>
⎢
⎥ ; T 2(n) = TS − T1(n) ua (n) = U M sin(
N
2 ⎣ 2U C
⎦
Với Ts: chu kỳ lấy mẫu; ua(n): áp chuẩn tại kỳ lấy mẫu thứ n; UC , UM: biên độ sóng mang tam
giác và áp chuẩn hình sin. Từ các biểu thức trên, có thể tính trước hàm sin(n.2π/N) chứa vào
ROM và tính ra các độ rộng theo TS, tỉ số UM / UC.
Khi điều chế không đối xứng, số lần tính hàm sin tăng lên gấp đôi (hình V.4.8.c).
Trang 22
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
b. Điều chế vector không gian - SVM (gọi đầy đủ là điều rộng xung vector không gian SVPWM):
Là phương pháp tiên tiến nhất hiện nay, thích hợp việc ứng dụng các phần tử tính toán
cho điều rộng xung hình sin.
- Vector không gian của áp ba pha: là cơ sở của kỹ thuật điều chế vector không gian, mô
tả hoạt động hệ thống ba pha dưới dạng vector. Ta có các trường hợp sau :
* Hệ ba pha hình sin đối xứng U.sin
ωt , U.sin(ωt - 2π/3), U.sin(ωt - 4π/3) có thể
biểu diễn bằng vector U quay góc ωe là
tốc độ (điện) của từ trường quay.
* Nghịch lưu 6 nấc thang có thế biểu
diễn bằng bộ 6 vector U1 , U 2 , U3 , U 4 ,
U5 , U 6 mô tả sáu trạng thái của các ngắt
điện trong bộ nghịch lưu (hình V.4.10a và
V.4.10b). Sáu vector này làm thành lục
giác đều và áp ra lần lượt đi qua các đỉnh.
Khi phân tích các vector không gian này
theo các vector cơ hệ 1, a = ej2π/3,
a2 = e–j2π/3, ta có các trạng thái đóng ngắt
Hình V.4.10a: Vector pha không gian
của các ngắt điện tương ứng.
Nhận xét là ở nghịch lưu 6 nấc thang, biên độ áp ra không thay đổi được và vector không
gian là gián đoạn, di chuyển nhảy cấp làm sóng hài bậc cao có biên độ lớn.
Hình V.4.10: Vector pha không
gian của NL sáu nấc thang (6
step) áp nguồn U
Trạng
thái
Ngắt điện
đóng
1
áp pha tải
uA
áp pha tải
áp pha tải
Vector
không gian
uB
uC
S1,S5,S6 2U/3
-U/3
-U/3
V1 (1,0,0)
2
S1,S2,S6 U/3
U/3
-2U/3
V2 (1,1,0)
3
S4,S2,S6 -U/3
2U/3
-U/3
V3 (0,1,0)
4
S4,S2,S3 -2U/3
U/3
U/3
V4 (0,1,1)
5
S4,S5,S3 -U/3
-U/3
2U/3
V5 (0,0,1)
6
S1,S5,S3 Vd/3
-2Vd/3
Vd/3
V6 (1,0,1)
* Khi điều rộng xung hình sin với tần số sóng mang là fC = N.fO , hệ thống sẽ gồm N
vector trạng thái nằm trên đường tròn có bán kính thay đổi theo áp ra mong muốn.
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian là mô tả các vector trạng thái này theo
các vector của NL sáu nấc thang (hình V.4.11a). Để có được biên độ áp ra mong muốn, ta bổ
sung thêm hai trạng thái U 0 (0, 0, 0) và U 7 (1,1,1) tương ứng với ba ngắt điện S1, S2, S3 cùng
ngắt và cùng đóng, tương ứng áp ra bằng khoâng.
Trang 23
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
U2
Ub
*
U
U1
α
pha a
Uo U1
to ta
2
S4 S1
U2 U7 U7 U2
tb to to tb
2 2
S1 S1 S1 S1
U1 Uo
ta to
2
S1 S4
pha b
S5 S5
S2 S2 S2 S2
S5 S5
pha c
S6 S6
S6 S3 S3 S6
S6 S6
Ua
Tc
Tc
Ts
Hình V.4.11.a: Phân tích áp ra thành các Hình V.4.11.b:
thành phần không gian
- Công thức cho điều chế vector không gian:
Để thực hiện vector không gian U * có biên độ U* bằng bộ nghịch lưu ba pha, ta có thể
phân tích U * thành hai thành phần nằm trên 2 vector lân cận của NL 6 nấc thang, ví dụ như
trên hình V.4.11.a, vector điện áp U * có vị trí
ωt = α ở giữa U1 và U 2 (góc 1/6 thứ 1) có thể phân
tích thành hai thành phần U a , U b nằm trên U1 và
π
U 2 với:
π
U *sin( − α ) = U a sin
3
3
U *sin(α ) = U b sin
π
3
2
π
V *.sin( − α )
3
3
<V.4.7>
suy ra:
2
Hình V.4.11.c:
Vb =
V *.sin(α )
3
Gọi TC là chu kỳ điều chế độ rộng xung, trong khoảng thời gian này, trung bình áp ra phải
tương ứng với áp điều khiển. Từ biểu thức vector:
Va =
ta
t
U1 + b U 2
TC
TC
U
U
ta = a TC và tb = b TC với U1 = U 2 = U1 <V.4.8>
U1
U1
U * = U a + Ub =
Đặt:
=> tO = TC - ta - tb là thời gian có áp ra bằng zero
thời gian có áp ra bằng zero tO có thể chọn là vectơ U 0 (0, 0, 0) hay U 7 (1,1,1) , sao cho soá lần
chuyển mạch là ít nhất. Hình V.4.11.b trình bày dạng sóng đóng ngắt đối xứng, góc α được lấy ở
vị trí giữa của khoảng thời gian lấy mẫu Ts, giống như trường hợp điều chế theo mẫu ở phương
án đối xứng (hình V.4.11.c). Cần lưu ý là chuỗi đóng ngắt to , ta , tb được chọn lại khi thay đổi
tổ hợp vevtor 6 nấc sao cho số lần chuyển mạch là ít nhất.
Điều kiện để các tính toán trên có ý nghóa là TC > ta + tb , tương ứng U * nằm phía trong
*
hình lục giác đều hình V.4.9, suy ra biên độ áp ngỏ ra cực ñaïi U max
:
2
π U
*
*
U max
= U1 cos(π / 6) => U max
= U .cos =
= 0.577U
3
6
3
Trang 24
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
2
U là biên độ của áp 6 nấc thang ( U1 … U 6 ), U: áp cấp điện một chiều.
3
*
Vmax
0.577U
tương ứng với chỉ số điện áp mO giới hạn bằng: mGH = sixstep
= 2
= 0.907
V1
πU
vìø U1 =
Trường hợp khảo sát trên được gọi là làm việc trong vùng dưới điều chế
(undermodulation region), khi đó mO thay đổi tuyến tính theo biên độ áp chuẫn. Khi muốn có áp
ra tăng cao, ta cần mở rộng vùng điều khiển điện áp bằng cách tăng cao áp chuẫn U*, hệ thống
làm việc trong vùng quá điều chế (overmodulation), m không còn tuyến tính và ta cần thay đổi
công thức tính ta, tb.
c. Triệt tiêu các sóng hài chọn trước:
Bằng cách sử dụng những dạng sóng có độ
rộng xung cố định đã được tính toán.
(a)
Với dạng sóng điều rộng xung có các
góc chuyển mạch cố định, sóng hài ngỏ ra sẽ
là hàm số phụ thuộc các góc chuyển mạch
này. Với n góc chuyển mạch, có thể cho n
sóng hài bằng không để nhận được n phương
trình có ẩn số là các góc chuyển mạch. Khi
giải ra ta được thông số của dạng sóng có
các sóng hài chọn trước bị triệt tiêu.
(b)
Ưu điểm của phương pháp này là rất Hình V.4.12: Dạng sóng điều rộng xung hình sin (a)
và phân tích chúnh thành các dạng cơ bản (b)
hiệu quả khi ta chọn các thông số hợp lý: tác
dụng của sóng hài giảm đáng kể trong khi tần số đóng ngắt vẫn bé. Bất lợi lớn nhất của phương
án này là dạng sóng ra cố định, phải thay đổi áp nguồn điện một chiều để thay đổi điện áp ngỏ
ra và biên độ một số sóng hài khác có thể tăng cao.
Ví dụ: Tính các góc θ1, θ2 để dạng sóng v hình V.4.12.a không có các sóng hài bậc
5, 7. Dạng sóng điều rộng xung hình V.4.12.a có thể phân tích thành các dạng sóng cơ bản như
hình V.4.12.b và như vậy, ta có:
uO = uO1 – uO2 + uO3 ,
với uO1, uO2, uO3 là các dạng cơ bản có biên độ 2U, 2U, U và độ rộng 2α1, 2α2 và π .
Dạng tổng quát của biên độ các sóng hài là:
U n = 4πU ⎡⎣ 1− 2sin n.αn2 + 2sin n.α1 ⎤⎦
Vieát ra biểu thức của hài bậc 5 và 7 :
U5 =
⎡ 1− 2sin 5.α52 + 2sin 5α1 ⎤ ;
U 7 = 4πU ⎡⎣ 1− 2sin 7.α72 + 2sin 7α1 ⎤⎦
⎣
⎦
Cho U5 và U7 bằng không, giải ra α1 = 56.7Ο, α2 = 66.4Ο . Đây chính là các thông số của
dạng sóng không có hài bậc 5 và 7.
4U
π
Khi đó U1 = 1.068U, tương ứng với giá trị hiệu dụng U1R = 0.755U
Thử tính hài bậc 11, 13:
U11 = 0.521U
U13 = 0.156U
Các trị số này khá lớn.
Có thể nới rộng phương pháp này để tính các góc chuyển mạch sao cho:
∑ k=i akU k2 → min , trong đó U k là biên độ của các sóng hài điện áp cần hạn chế, có bậc lấy từ
j
Trang 25
chuong 5 nghich luu va bien tan.doc
