BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT_CHƯƠNG 6 Bộ nghịch lưu, bộ biến tần pot

1
Chương 6
BỘ NGHỊCH LƯU
BỘ BIẾN TẦN
2
Giới thiệu
Bộ nghịch lưu: DC  AC
Phân loại theo cấu hình:
 Nghịch lưu nguồn áp
 Nghịch lưu nguồn dòng
Phân loại theo tín hiệu được điều khiển
ở ngõ ra bộ nghịch lưu:
 Bộ nghịch lưu áp
 Bộ nghịch lưu dòng
Ứng dụng của bộ nghịch lưu:
Truyền động điện động cơ xoay chiều
Thiết bị gia nhiệt cảm ứng: lò cảm ứng, thiết bị hàn…
Các áp dụng trong lãnh vực truyền tải điện, chiếu sang…
3
Giới thiệu
Bộ biến tần: AC AC
Biến tần gián tiếp: AC DC  AC
Biến tần trực tiếp (Cycloconverter): AC (tần số cao)  AC (tần số thấp)
Với bộ biến tần: cần thay đổi điện áp và tần số đồng thời
Bộ biến tần gián tiếp 3 pha
Bộ biến tần trực tiếp 1 pha
4
Bộ nghịch lưu áp một pha
Cấu hình bộ nghịch lưu áp một pha
Nguyên tắc kích
:

 Hai công tắc bán dẫn trên cùng một nhánh cầu (S1 & S4, S3 & S2)
được kích đối nghịch nhau
 Không có trường hợp hai công tắc trên cùng một nhánh cầu
cùng dẫn hoặc cùng tắt
5
Bộ nghịch lưu áp một pha
Nghịch lưu áp một pha điều khiển đơn giản:
6
Bộ nghịch lưu áp một pha
Nghịch lưu áp một pha điều khiển đơn giản:
P
hân tích Fourier
c
ủa điện áp ngõ ra dạng xung vng
:
1,3,5
4.
( ) .sin( . . )
t
n
U
u t n t
n






p tải chỉ chứa các thành phần hài bậc lẻ.

Độ méo dạng điện áp được tính theo hệ thức sau:
)1(t
2
)1(t
2
t
)1(t
2n
2
)n(t
U
U
UU
U
U
THD





Dễ dàng suy ra rằng:
2
2
2 2
(1)
(1)
4
2
0,483

4
2
48,3%
t t
U
t
U U
U U
THD
U
U


 

 

 
   
; U
t
=U
7
Bộ nghịch lưu áp một pha
Ví dụ 5.4:
Cho bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha với dạng sóng điện áp cho trên hình.
Giả thiết dòng điện qua tải có dạng
540sin( 4)
t
i t

 
 
.
Nguồn DC có độ lớn 300V.
a. Vẽ dạng sóng dòng tải và dòng qua nguồn và xác đònh khoảng dẫn
của từng linh kiện.
b. Xác đònh trò trung bình dòng qua nguồn và công suất do nguồn cung cấp.
c. Xác đònh công suất tiêu thụ của tải.
8
Bộ nghịch lưu áp một pha
a.
D
ạng sóng dòng tải và dòng nguồn vẽ trên hình
b. Dòng trung bình qua nguồn:







0
1243
4
540
1
AtdtI
sAV
,)().sin(.
Cơng suất nguồn cung cấp:

Ps=300.243,1=72.930W=72,93kW
c. Trò hiệu dụng thành phần hài cơ bản áp ra:
V
U
U
t
14270
2
300400
2
4
1
,
.
)(


P
t
=U
t(1).
I
t(1).
cos
1

=270,14.
4
2
540


cos. =72,930W=72,93kW
9
Bộ nghịch lưu áp một pha
Ví dụ 5.5:
Bộ nghòch lưu áp một pha mắc vào nguồn một chiều U.
Tải R = 10, L =0,01H.
Bộ nghòch lưu áp được điều khiển theo phương pháp điều biên.
a- Tính độ lớn nguồn U để trò hiệu dụng áp tải U
t
= 100V.
b- Với áp nguồn xác đònh ở câu a. Tính trò hiệu dụng hài cơ bản của điện áp ngõ ra.
c- Tính trò hiệu dụng dòng tải .
10
Bộ nghịch lưu áp một pha
Giải:
a/- Trò hiệu dụng áp tải: U
trms
= U = 100V
Vậy cần có áp nguồn U = 100V
b/- Áp dụng phân tích Fourier cho áp tải u
t
, biên độ của sóng hài bậc n của áp ra:
4
n
U
U
n

 , n = 1, 3, 5, 7…

Trò hiệu dụng sóng hài cơ bản (n = 1) của áp tải:
 
1
1
4.
90,03[ ]
2 . 2
t
U U
U V

  
11
Bộ nghịch lưu áp một pha
c/- Trò hiệu dụng dòng điện tải có thể tính theo hệ thức:




2
0
tt
dx.i
2
1
I
Để không phải giải phương trình xác đònh dòng i
t
, ta có thể áp dụng công thức sau :
 

2
1
1j
2
jtt
iI












Với
 
 
 
 
2
2
4
2
t n
t n
n

U
U
n
I
Z
R n L


 

Ta thấy bậc n của sóng hài bậc cao, trò hiệu dụng của dòng điện tương ứng càng thấp.
Do đó, ta có thể tính i
t
gần đúng thông qua vài hài bậc thấp. Ví dụ chọn n = 1,3,5,
U
t(k)
U
t(1)
[A] U
t(3)
U
t(5)
U
t(7)
U
t(9)
U
t(11)
[V] 87,828 29,27 17,56 12,54 9,75 7,98
I

t(n)
I
t(1)
[A] I
t(3)
I
t(5)
I
t(7)
I
t(9)
I
t(11)
[A] 8,37 2,13 0,94 0,51 0,325 0,22
Tính gần đúng I
t
qua hài dòng bậc 1, 3, 5:
     
 

2
1
2
5t
2
3t
2
1tt
IIII 8,72 [A]
12

Bộ nghịch lưu áp một pha
Ví dụ 5.7:
Cho bộ chỉnh lưu áp một pha dạng mạch cầu.
Tải thuần trở R = 2,4 ; điện áp nguồn một chiều U= 48V.
a. Tính trò hiệu dụng hài cơ bản của áp ra ;
b. Tính công suất trung bình của tải ;
c. Tính trò trung bình và trò tức thời lớn nhất của dòng điện qua transistor;
d. Xác đònh điện áp khóa lớn nhất đặt lên transistor ;
e. Tính hệ số biến dạng của áp ra .
13
Bộ nghịch lưu áp một pha
Giải:
a. ]V[2,43
2.
48
.
4
2.
U
4
U
)1(t





b. Công suất trung bình của tải :
960
4,2

48
R
U
R
dx.u
2
1
R
U
P
2
2
2
1
2
0
2
t
2
t
t












[w]
c. Trò trung bình dòng qua transistor:
0
1
10[ ]
2 2
TAV
U U
I dx A
R R


  

Trò tức thời lớn nhất của dòng qua transistor:
]A[20
4,2
48
R
U
i
maxT

14
Bộ nghịch lưu áp một pha
a. Điện áp khóa lớn nhất đặt lên transistor x?y ra khi transistor cùng nhánh d?n
ví dụ khi S
4

dẫn (U
T4
=0):
u
T1
= U - u
T4
= U = 48[V]
e. Hệ số méo dạng của áp ra:
 
)1(t
2
1
2
)1(t
2
t
)1(t
2
1
2k
2
)K(t
U
U
UU
U
U
THD















với U
t
= 48 [V], U
t(1)
= 43,2 [V]
Ta được:
 
484,0
2,43
2,4348
THD
2
1
22
U




15
Bộ nghịch lưu áp một pha
Ngh
ịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM)
16
Bộ nghịch lưu áp một pha
Ngh
ịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM)
17
Bộ nghịch lưu áp một pha
Ngh
ịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung (PWM)
Gọi m
f
là tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) :
e
tria
reference
carrier
f
f
f
f
f
m
sin

Tăng m
f

 tăng giá trò tần số các sóng hài  dễ lọc các sóng hài hơn.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn.
Tương tự, gọi m
a
là tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) :
trim
em
carrierm
referencem
a
U
U
U
U
m





sin
Nếu
1

a
m
(biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang)
thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
Đối với bộ nghòch lưu áp một pha, biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra:
UmU

amt
.
)(

1
18
Bộ nghịch lưu áp một pha
Phổ tần sóng hài điện áp – điều khiển kiểu PWM
19
Bộ nghịch lưu áp một pha
Phổ tần sóng hài điện áp – điều khiển kiểu sóng vuông
Bậc của sóng hài
U
n
/U
20
Bộ nghịch lưu áp ba pha
21
Bộ nghịch lưu áp ba pha
Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:
u
t1
+ u
t2
+ u
t3
= 0
Điện áp pha tải u
t1
,u

t2
,u
t3
. Ta có:
u
t1
= u
10
- u
NO;
u
t2
= u
20
- u
NO;
u
t3
= u
30
-u
NO
Có thể chứng minh được: u
NO
=
u
u
u
10 20 30
3



Thay u
NO
vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có:
10 20 30 20 30 10 30 10 20
1 2 3
2 2 2
; ;
3 3 3
t t t
u u u u u u u u u
u u u
     
  
Điện áp dây trên tải:
u
t12
=u
10
- u
20
;
u
t23
= u
20
- u
30
;

u
t
3
1
= u
30
-u
10
22
Bộ nghịch lưu áp ba pha
Điều khiển kiểu 6 bước (six-step)
23
Bộ nghịch lưu áp ba pha
Điều khiển kiểu 6 bước (six-step)
24
Bộ nghịch lưu áp ba pha
Điều khiển kiểu 6 bước (six-step)
P
hân tích Fourier
c
ủa điện áp pha (u
t1
, u
t2
, u
t3
)
:
1
1,3,5

2
1,3,5
3
1,3,5
4
( ) sin sin
3
3
4 2
( ) sin sin ( )
3 3
3
4 2
( ) sin sin ( )
3 3
3
t
n
t
n
t
n
U n
u t n t
n
U n
u t n t
n
U n
u t n t

n



 


 









 
 



p tải chỉ chứa các thành phần hài bậc lẻ (n = 1, 3, 5 )û.
Trị hiệu dụng của áp pha tải:
,
2
3
t rms
U U


25
Bộ nghịch lưu áp ba pha
Điều khiển kiểu 6 bước (six-step)
Ví dụ 5.8:
Bộ nghòch lưu áp ba pha điều khiển kiểu 6 bước (six-step)
Tải thuần trở ba pha đối xứng đấu thành dạng sao.
Độ lớn điện trở mỗi pha R = 10.
Tần số làm việc của bộ nghòch lưu áp f= 50Hz.
Điện áp nguồn một chiều U = 220V.
a. Xác đònh trò hiệu dụng điện áp ra ;
b. Viết phương trình sóng hài bậc 1 của điện áp tải và dòng tải ;
c. Tính công suất tải ;
d. Tính hệ số biến dạng của áp ra .
e. Tính trò trung bình dòng điện qua transistor .