CHƯƠNG5 đề CƯƠNG điện tử CÔNG SUÂT 4 2018

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Chương5
NGHỊCH LƯU - BIẾN TẦN
5.1 Nghịch lưu.
5.1.1 Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu.
a> Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện
áp xoay chiều một pha hoặc ba pha theo sơ đồ khối chung như sau:
ĐK

DC

LC

NL

AC

PT

Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu
b> Phân loại:
Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu
độc lập. Trong đó nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc
pha và thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện.
Nghịch lưu độc lập lại được chia ra nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn
dịng hay cộng hưởng ...vv. Trong đó nghịch lưu độc lập nguồn áp có đặc
điểm là bộ tích trữ năng lượng trung gian thường là tụ điện. Với bộ nghịch lưu
áp thì ln định ra một điện áp có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha

không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, điện áp
thường có dạng hình chữ nhật cịn dịng điện phụ thuộc vào tải có thể là hình
chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ. Còn nghịch lưu độc lập
nguồn dòng năng lượng dự trữ dưới dạng từ trường và nó ln định ra một
dịng điện có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụ thuộc vào loại
tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, dịng điện thường có dạng hình

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

174


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

chữ nhật cịn điện áp phụ thuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa,
hình sin, dạng hàm mũ.
5.1.2. Mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha và ba pha
5.1.2.1. Mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha
a> Sơ đồ nguyên lý

Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha sơ đồ cầu H
b> Nguyên lý làm việc
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đơi Thyritstor T1, T2 lệch pha với
tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3 ,T4 một góc 180 độ điện. Điện cảm đầu
vào nghịch lưu lớn (Ld = ∞), do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu
đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dịng điện nghịch
lưu (i) có dạng xung vng. Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện
i = id = Id . Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện

với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ
giảm về không. Do i = ic = it =Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và
sau đó dịng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ
(t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra q
trình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-) . Dịng phóng ngược chiều với
dịng qua T1 và T2 sẽ làm choT1 và T2 bị khố lại. Q trình chuyển mạch
gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực
(+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái. Dòng nghịch lưu i = id = -Id (đã đổi dấu).
Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khố
lại và q trình được lặp lại như trước.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

175


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các
Thyritstor. Tại thời điểm t1 , khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi
điện áp ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược
(t1-t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình khố và phục hồi tính điều khiển của
van và t’1- t1 = tk ≥ toff là thời gian khoá của Thyritstor hay chính là thời gian
phục hồi tính điều khiển.
β = ω.tk là góc khố của nghịch lưu.
c> Dạng sóng điện áp, dịng điện trong mạch

Hình 5.4: Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu nguồn dòng
một pha dùng sơ đồ cầu H

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

176


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.1.2.2 Mạch nghịch lưu nguồn dòng ba pha dải điều chỉnh hẹp
a> Sơ đồ nguyên lý

+

T1

Ld

T3

C1

E

C3
ZA

-

+

T5

ZB
ZC

C5
+

-

T4

-

T6

T2

Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
dải điều chỉnh hẹp
b> Nguyên lý làm việc
Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì cơng suất của
nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp Nghịch lưu dịng ba
pha sử dụng thyristor. Do đó có thể khố được các thyristor cần phải có tụ
chuyển mạch (c1, c3, c5) vì mạch nghịch lưu dịng nên nguồn đầu vào phải là
nguồn dịng vì vậy coi như Ld = ∞
Để đảm bảo khoá được các thyristor và tạo nên hệ thống dịng điện ba pha đối
xứng thì luật dẫn điện tuân theo đồ thị trên hình vẽ. Qua đồ thị ta thấy rằng

mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ =120 độ điện. Quá trình
chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm.
Xét khoảng thời gian 0 ÷ t1 : lúc này T1 và T6 dẫn. Dòng sẽ qua T1, Za, Zb
và T6. Đồng thời sẽ có dịng nạp cho tụ C1 qua T1- C1 – T6. Khi tụ C1 được
nạp đầy thì dịng qua tụ bằng khơng. Tụ C1 được nạp với dấu điện áp ( như
hình 6) sẽ chuẩn bị cho q trình chuyển mạch khố T1. Tại thời điểm t = t2,
khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại. Tương
tự như vậy khi T2 và T3 dẫn ( t2 ÷ t3 ) thì tụ C3 được nạp với dấu hiệu điện
áp để chuẩn bị khoá T3.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

177


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Đối với nhóm catơt chung T2, T4, T6 q trình chuyển mạch cùng diễn
ra như vậy. Ví dụ tụ C5 được nạp trong khoảng t1  t 2 ( khi T1 và T2 dẫn) với
dấu đảm bảo để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3.
Theo phân tích ở trên ta đã thấy Do tải luôn mắc song song với tụ chuyển
mạch nên gữa hai tụ ln ln có sự trao đổi năng lượng với nhau nên gữa
tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc
tính ngồi khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng. Để làm
giảm ảnh hưởng của tải đến quá trình nạp tụ C, ta sử dụng điôt ngăn cách
( D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 ) .

Việc sử dụng các điơt này địi hỏi phải chia tụ

chuyển mạch làm hai nhóm: Nhóm C1 , C3 , C5 dùng để chuyển mạch cho các
van T1 , T3 , T5 : còn nhóm

C 2 , C 4 , C 6 dùng để chuyển mạch cho các van

T2 , T4 , T6 .

Nghịch lưu dịng khơng chỉ tiêu thụ cơng suất phản kháng mà cịn phát ra
cơng suất tác dụng vì: dịng id không đổi hướng, nhưng dấu điện áp trên hai
đầu nguồn có thể đảo đấu. Điều đó có nghĩa, khi nghịch lưu làm việc với tải là
động cơ xoay chiều thì động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh.

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

178


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

c>Dạng sóng dịng điện ba pha

Hình 5.6: Dạng sóng dịng điện qua các pha mạch nghịch lưu nguồn dòng
3 pha dải điều chỉnh hẹp

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

179

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.1.2.3. Mạch chỉnh lưu nguồn dòng ba pha dải điều chỉnh rộng dùng
thyritstor
a> Sơ đồ nguyên lý

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
dải điều chỉnh hẹp chuyển mạch tập chung
b>Giới thiệu sơ đồ
- Ud kết hợp với Ld có điện cảm đủ lớn để tạo ra nguồn dịng điện Id
- Cầu thyritstor T1-T6 đóng vai trị nghịch lưu nguồn dòng 1 pha thành nguồn
dòng xoay chiều 3 pha có chế độ dẫn 120o điện
- Để đảm bảo chuyển mạch chắc chắn cho các van ta chọn Ed>Ud. Ed là nguồn
điện áp kết hợp với các van Tn1-Tn4 và Rn+Cn để tạo ra điện áp có cức tích
thích hợp khóa các van
T1- T6 thơng qua các van phụ Tp1-Tp6.
+ Nếu Tn1 và Tn2 mở thì Un <0.
+ Nếu Tn3 và Tn4 mở thì Un > 0(+ phía phải và – phía trái)
+Un>0: Nếu TP1 và Tp7 mở thì sẽ khóa T1
Nếu TP3 và Tp7 mở thì sẽ khóa T3
Nếu TP5 và Tp7 mở thì sẽ khóa T5
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

180


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

+Un < 0: Nếu TP4 và Tp8 mở thì sẽ khóa T4
Nếu TP6 và Tp8 mở thì sẽ khóa T6
Nếu TP2 và Tp8 mở thì sẽ khóa T2
* Giản đồ trạng thái pha giống với sơ đồ dùng IGBT
b> Nguyên lý làm việc (SV tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên)
5.1.3. Mạch nghịch lưu nguồn áp một pha, ba pha
5.1.3.1. Mạch nghịch lưu nguồn áp một pha
a> Sơ đồ nguyên lý

+ E

is
D1

R
C

T3

L

A

it
T4

D4

-

D3

T1

D2

B
T2

Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha
Trong đó: - T1, T2, T3, T4 : Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều
chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải
- Zt: Là phụ tải gồm L mắc nối tiếp với R
- D1, D2, D3, D4: Là các diôt dẫn dịng khi tải trả năng lượng về nguồn
ni.
- is: Là dòng điện cấp từ nguồn cho bộ biến đổi
 Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor
dẫn dịng).
 Khi is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn ni (các diơt dẫn
dịng).

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

181


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và dự ttrữ năng
lượng dưới dạng điện trường.
b> Nguyên lý làm việc

c> Dạng sóng dịng điện, điện

(xét với tải R+L)

áp trong mạch

Giả sử trước thời điểm t = 0 khi đó T3 và T4

E

đang cho dịng chạy qua tải (dòng tải đi từ B
 A). Khi t = 0 cho xung mở T1 và T2, T3 và

T4 bị khoá lại, dịng tải iS = -Im khơng thể
đảo chiều một cách đột ngột do tải có tính
chất cảm. Do vậy dòng tải tiếp tục chảy theo
chiều cũ nhưng theo mạch

D1  E

 D2  tải và suy giảm dần về khơng, hai

t

0
iG1,2

t
0
iG3,4

t
0
Ut(it)
t3 t4

van D1 và D2 dẫn dịng khiến T1 và T2 chưa
kịp mở đã bị khoá lại. Đến thời điểm t = t 1, it

t1
iT1;T2

= 0, D1 và D2 bị khố lại, T1 và T2 mở dịng
tải i > 0 tăng dần và chảy theo chiều từ
A  B. Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn
hoàn năng lượng.

t

t2

t
0
iD1;D2

0

t

iT3;T4

Khi t = T/2 ( tại thời điểm t2) cho xung
mở T3 và T4 đồng thời ngắt xung vào cực
điều khiển T1 và T2 nên T1; T2 bị khố lại. Lúc
này dịng tải chảy qua D3 và D4 khiến cho T3
và T4 chưa kịp mở đã bị khoá lại. Khi t = t3,

t
0
iD3;D4
0

t

iS

t

it = 0, lúc này van T3 và T4 sẽ mở cho dòng
điện đi qua với it < 0 chảy theo chiều từ
B  A. Dòng tải it biến thiên theo quy luật
hàm mũ giữa hai giá trị Im và -Im.

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

182


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

d> Phân tích các biểu thức dịng điện và điện áp tải
- Điện áp trên tải là các chuỗi xung vuông không phụ thuộc vào đặc tính
tải nên ta dễ dàng xác định được giá trị hiệu dụng điện áp tải
T

1
E 2 dt  E
T 0

U1 

- Với tải R+L dòng tải có dạng hàm mũ, do vậy muốn xác định được biểu
thức tính dịng điện tải ta có thể vận dụng phương pháp tốn tử hoặc phương
pháp sóng điều hịa cơ bản.
* Phương pháp toán tử
Khi van T1 và T2 dẫn cho dịng điện qua tải ta có phương trình vi phân
Ldit
 Ri  E
dt
di
R
E
 t  i

dt L
L

(PT1)

Viết (PT1) dưới dạng toán tử
E
L.P
E
 PI ( P )  I m  aI ( P ) 
L.P
Im
Im
Im
E
a.E
a.E
 I ( p) 





L.P( P  a) ( P  a) L.P( P  a).a ( P  a) R.P( P  a) ( P  a)
PI ( P )  i (0)  aI ( P ) 

Áp dụng bảng hàm ảnh - gốc trong toán tử ta xác định được nghiệm của PT1
là:
it 





E
. 1  e at  I m .e at
R

* Phương pháp sóng điều hịa cơ bản
- Nhận thấy điện áp trên tải là các chuỗi xung chữ nhật đối xứng, nó là một
hàm lẻ nên chu kỳ khai triển Fourier là các số hạng sóng sin:
Ut 

sin(2k  1)t
 k 1
2k  1

4E





Nếu chỉ lấy sóng điều hịa cơ bản (bậc 1 hay k=1) ta có
Ut 

4E



Sint

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

183


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Lúc này ta coi dạng sóng điện áp có dạng sin vng nên dòng điện tải được
xác định
it 

Ut
4E

Sin (t   )  I m sin(t   )
Zt  . R2  X 2

Trong đó:
X  L. : Điện kháng tải

X
 : Góc trễ pha giữa dịng điện và điện áp tải
R

  arctg 

Sau khi xác định được biểu thức dịng điện tải ta có thể dễ dàng xác định được
giá trị trung bình, hiệu dụng của dịng tải, dòng tiêu thụ từ nguồn cấp hay
dòng qua các van công suất.
5.1.3.2. Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha
a> Sơ đồ nguyên lý

+E
D1

T1

D3

T3

D5

T5

C

D4

T4

D6

T2

T6

T2

-

ZA

ZB

ZC

Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha
b> Nguyên lý làm việc
* Giả thiết khi phân tích sơ đồ
- Để thuận tiện khi mô tả nguyên lý ta giả thiết khi nghiên cứu :
+ Van lý tưởng khi dẫn điện áp trên van bằng khơng; khi khóa dịng rị bằng
khơng
+ Nguồn cung cấp có nơi trở rất nhỏ và có khả năng dẫn điện theo hai chiều.
+ Các van động lực từ T1 đến T6 làm việc với độ dẫn điện là 180 độ điện.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

184


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

+ Tải ba pha đối xứng.
* Giới thiệu khái quát sơ đồ

- Các đioe từ D1 đến D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ điện C
đảm bảo là nguồn áp và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
- Các van phải dẫn tuân theo luật như trên giản đồ dòng điện, điện áp. Như
vậy van T1 và T4 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên pha A.
T3 và T6 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên pha B
T2 và T5 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên phaC
* Phân tích sơ đồ
- Trong khoảng 0  t1, khi đó T1; T6; T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như
hình vẽ. khi đó ta thấy UZA = E/3
+
E

ZC

ZA

ZB
-

- khoảng t1  t2, khi đó T1; T6; T2 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình vẽ.
khi đó ta thấy UZA = 2E/3
E
ZA

ZB

ZC

-

- Trong khoảng t2  t3, khi đó T1; T2; T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như
hình vẽ. khi đó ta thấy UZA = E/3

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

185


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

+
E

ZB

ZA

ZC
-

Phân tích như trên ta suy ra điện áp trên pha A có dậng như trên hình vẽ dạng
sóng dịng điện, điện áp ttrong mạch.
c> Khoảng dẫn các van và dạng sóng điện áp trên tải
λ

T1

T1

0

t
T4

T3

T3
0

t
T6

T6

T5

T5

0

t
T2

T2

UZA

2/3E

1/3E
0

t

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

186


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

d> Các biểu thức trong mạch
- Trị hiệu dụng điện áp pha được xác định
T
T
 T6

2
2
2
3
2
2  E
2
 2E 
E 
U pha 

E
  dt   
 dt     dt  


T 0 3 
3
T 3 
T 3 


6
3

Nếu coi điện áp dạng gần sin ta có thể viết biểu thức điện áp pha A:
U pha 

2
E sin t
3

Với giả thiết trên ta coi dịng điện cũng có dạng gần sin như vậy dịng điện
pha tải có thể được tính đơn giản theo biểu thức:
I pha 

U pha
Z



2.E sin t
3. R 2  X 2

Với phương pháp trên kết quả tính tốn cho sai số khoảng 10 đến 20%, kết
quả này đơi khi vẫn chấp nhận vì hệ số dự chữa khi chọn van bán dẫn công
suất thường rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế để chính xác hơn ta có thể phân
tích dịng điện theo 6 bậc điện áp. Ứng với mỗi bậc là một phương trình vi
phân sau đó ta sẽ lấy giá trị cuối của bậc này làm sơ kiện của bậc kế tiếp: Cụ
thể các bậc được chia theo các khoảng như sau:
- Trong khoảng 0 < t < - Trong khoảng T/6 < t < T/3 lấy sơ kiện khi t = 2T/6
- Trong khoảng T/3 < t < T/2 lấy sơ kiện khi t = T/2
- Trong khoảng T/2 < t < 2T/3 lấy sơ kiện khi t = 2T/3
- Trong khoảng 2T/3 < t < 5T/6 lấy sơ kiện khi t = 5T/6
- Trong khoảng 5T/6 < t < T lấy sơ kiện khi t = T
Từ các giá trị dòng điện thu được trong các đoạn ta cũng xác định được giá trị
cực đại, cực tiều, giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình của dịng qua tải hoặc
qua van. Tuy nhiên phương pháp này mất rất nhiều thời gian và khá phức tạp
khi phân tích nên chỉ dùng khi cần độ chính xác cao trong tính tốn.

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

187


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.2. Biến tần.

5.2.1 Khái niệm và phân loại biến tần
Thiết bị biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện từ tần số này sang tần số khác.
Tần số được biến đổi thông thường là một tần số công nghiệp
f1 = 50Hz, tần số đã được biến đổi là tần số f2 và có giá trị phụ thuộc vào thiết
bị hoặc yêu cầu.
Thiết bị biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
như dùng để biến đổi tốc độ quay của động cơ đồng bộ 3 pha hoặc động cơ
điện khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc hoặc rôto dây quấn. Ưu điểm: gọn,
nhẹ, đạt hiệu quả cao và tốc độ điều chỉnh gần như là vơ cấp.
Có hai loại biến tần: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
5.2.2. Biến tần gián tiếp
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như trên hình vẽ. Bộ biến tần gồm
các khâu: chỉnh lưu (CL), lọc (L), và nghịch lưu (NL). Như vậy để biến đổi
tần số cần thơng qua khâu trung gian một chiều, do đó nó có tên gọi là biến
tần gián tiếp.
f1 ,U1

+

CL

f2 ,U2

+

L

_

_

NL

A
Ud

B

C

§C

C

Ld
A
id

§C

B
C

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

188


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

Hình 5.10: Một số sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp.
Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều, chỉnh lưu có thể là khơng hoặc có điều chỉnh.
Ngày nay đa số chỉnh lưu thường là chỉnh lưu khơng điều khiển, vì nếu
điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của
bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Nói chung, chức năng biến đổi
tần số và điện áp được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển.
Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điều
khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải.
Ngày nay, biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều
chỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng. Dễ dàng tạo ra các bộ
nguồn (dòng, áp) theo mong muốn. Nghịch lưu được dùng trong biến tần
thường là các mạch cơ bản đã nêu ở phần nghịch lưu.
Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì phải qua
hai lần biến đổi). Cơng suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn.

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

189


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.2.3. Biến tần trực tiếp 1 pha và ba pha
Biến tần trực tiếp là biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, không
thông qua khâu trung gian một chiều.

Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược. Các bộ chỉnh
lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu, hoặc các bộ
chỉnh lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần
song điều hịa bậc cao càng giảm và sơ đồ khối của một pha được thể hiện
như hình vẽ dưới:

Hình 5.11:Sơ đồ khối biến tần trực tiếp một pha
* Nguyên lý làm việc:
Để đơn giản giả thiết tải là thuần trở, van là lý tưởng và xét với mạch
một pha như sau:

Hình 5.12: Sơ đồ nguyên lý của biến tần trực tiếp một pha

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

190


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

Hình 5.13: Dạng sóng dịng điện, điện áp của biến tần trực tiếp một pha
khi góc điều khiển  = 0.
Trường hợp này các thyristor cùng một nhóm được điều khiển theo quy luật
trong 2,5 chu kỳ của nguồn điện lưới đầu vào, để đơn giản xét trường hợp các
thyritstor được mồi khơng có trễ ( = 0), nghĩa là cá thyritstor nhóm P coi
như chỉnh lưu diode, tạo ra nửa chu kỳ điện áp dương của điện áp đầu ra.
Trong khoảng 2,5 nửa chu kỳ sau chỉ có nhóm N dẫn điện để tổng hợp thành
nửa chu kỳ âm của điện áp ra. Theo dạng sóng điện áp biểu diễn trên hình chu

kỳ của điện áp ra lớn gấp 5 lần chu kỳ của nguồn điện áp vào(tần số đầu ra
bằng 1/5 tần số đầu vào). Dạng sóng này có dạng gần với sóng chữ nhật và có
chứa nhiều thành phần điều hịa bậc cao.
Để giảm thành phần sóng hài bậc cao và dạng sóng dịng điện tải tiến
tới gần sin trong các trường hợp tải có tính chất cảm người ta có thể thay đổi
góc mở các van theo quy luật hình sau:

Hình 5.14:Dạng sóng dịng điện, điện áp của biến tần trực tiếp một pha
khi thay đổi góc điều khiển 
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

191


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- Tương tự như vậy ta phân tích với mạch biến tần trực tiếp ba pha theo các sơ
đồ và dạng sóng hình vẽ dưới. Điện áp trên tải (u 2) gồm hai nửa sóng là
dương và âm. Nửa sóng dương được tạo ra khi nhóm van I làm việc (T 1, T2,
T3), cịn nửa sóng âm được tạo ra khi nhóm van II (T4, T5, T6) làm việc. Lần
lượt đóng mở các nhóm van, ta sẽ tạo ra trên tải một điện áp xoay chiều có giá
trị:

u2 =

2 .U pha sin




m1

cos 

m1

Trong đó:

m1 - số pha của điện áp lưới.
α - góc điều khiển của bộ chỉnh lưu.
L cb

A

f1,U1

B

f1,U1

T1

T3

T5

T7

T9

T11

C

Zt
T1

a)

T2

T3

T4

T5

T6
T4

Zt
f2,U2

b)

T6

T2

T12

T10

T8

L cb

Hình 5.15: Một số sơ đồ và dạng sóng biến tần trực tiếp.
a) Sơ đồ có điểm trung tính;

b) Sơ đồ cầu.

c), d), e) Dạng điện áp ra với các luật điều khiển khác nhau.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

192


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

Theo hình 5.15-c, ta có:
1 n 
T2 T1
T
 (*), với n = 0, 1, 2, 3, 4, …
  n. 1  T1 . 

2
2
m1
2
m
1 


Tần số của điện áp ra (f2) bao giờ cũng thấp hơn tần số lưới.
Từ (*) ta có: f2 =

f1 .m1
, và tần số này được điều chỉnh có cấp.
2n  m1

Để điều chỉnh f2 vơ cấp, cần tạo ra thời gian trễ giữa hai bộ chỉnh lưu
(góc φ) (hình 5.15-d) và như vậy tần số ra là:
f2 =

f1 .m1 .
.
 .2n  m1 .m1 .

Khi bộ biến tần làm việc với tải trở cảm hoặc động cơ điện, năng lượng
tích lũy ở tải có thể được trả về lưới. Lúc này, các bộ chỉnh lưu sẽ làm việc ở
chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Nhóm I sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu khi
điện áp trên tải mang dấu âm và nhóm II ở chế độ nghịch lưu khi điện áp trên
tải mang dấu dương (hình 5.15-e).
Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu (hình b), thì điện áp trên tải sẽ lớn
gấp hai lần so với sơ đồ ba pha có điểm trung tính:

2 2 .U pha sin

U2 =




m1

cos  .

m1

Xung điều khiển của hai nhóm lệch nhau một góc 2π/m1.
Các bộ biến tần trên có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh α) và điện áp có
chứa nhiều thành phần sóng điều hịa bậc cao. Để loại các thành phần bậc cao,
cần dùng bộ lọc.
Nếu thay đổi góc α của hai nhóm chỉnh lưu theo quy luật nào đó thì
điện áp ra có thể thay đổi theo bất cứ luật nào.
Để đảm bảo điện áp ra gần sin thì góc điều khiển α (chế độ chỉnh lưu)
và β (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo quy luật sau:
α = arcos(A.sinω2t), với A = U2m/U2m0.
Trong đó:

U2m - giá trị biên độ của điện áp ra trên tải.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

193

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

U2m0 - giá trị biên độ của điện áp ra trên tải ứng với trạng thái mở các
thyritstor hoàn toàn (α = 0); A = 1 khi luật điều chỉnh α, β là tuyến tính (hình
5.15).

Hình 5.15: Luật điều khiển tuyến tính.
Với luật điều khiển trên và m1 cũng như tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp ra
trên tải sẽ có dạng hình sin:
U2(  2 t )= U1m.

m1



. sin


m1

sin  2 t .

Đường cong điện áp ra sẽ có thành phần sóng điều hịa cơ bản với tần
số f2. Các bộ biến tần trực tiếp có tần số ra nhỏ hơn tần số vào (f2 < f1) thường
được sử dụng để điều khiển các động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Có hai
phương pháp để tăng tần số ra của biến tần sao cho: f2 < f1.
- Dùng bộ khuyếch đại cưỡng bức phụ: phương pháp này làm giảm
hiệu suất vì cần dùng thêm một bộ biến đổi nên ít được dùng trong thực tế. Do

đó ta khơng trình bày phương pháp này ở đây.

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

194


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.2.4. Một số sơ đồ biến tần trực tiếp ba pha.
Một trong những nhược điểm cơ bản của biến tần trực tiếp ba pha là sử
dụng rất nhiều van bán dẫn công suất. Đối với sơ đồ hình tia (hình 1.7) cần sử
dụng 18 van công suất, sơ đồ cầu cần sử dụng 36 van (hình 1.8). Ngồi ra với
số lượng van công suất lớn làm cho mạch điều khiển van sẽ phức tạp, vì vậy
biến tần trực tiếp ít được ứng dụng trong thực tế.
U1,f 1

A
B
C

T1

T2

T3

T4

T5

pha A

T6

T7

T8

T9

T10 T11 T12

T13

T14 T15

T16 T17 T18

pha B

pha C

Hình 5.16: Biến tần ba pha trực tiếp hình tia

A
B
C

pha A

pha B

pha C

Hình 5.17: Biến tần ba pha trực tiếp hình cầu

Chương5 Biến tần – nghịch lưu

195


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

5.3. Bài tập ứng dụng
Bài 5.1.
Phân tích nguyên lý và vẽ dạng sóng điện áp, dịng điện trong mạch nghịch
lưu nguồn áp một pha cầu H và viết biểu thức dòng điện, điện áp trong mạch
với tải thuần cảm L.
Bài 5.2.
Phân tích ngun lý và vẽ dạng sóng điện áp, dịng điện trong mạch nghịch
lưu nguồn áp 3 pha cầu và viết biểu thức dòng điện, điện áp trong mạch với
tải thuần cảm L.
Bài 5.3. Cho sơ đồ biến tần nguồn áp một pha sử dụng GTO làm việc với tải
thuần cảm trong đó cặp vàn V1, V2cùng làm việc cịn V3 V4. Biết E = 10V;
L = 1mH; f = 100Hz.

a> viết biểu thức giải tích của dịng điện tải
+ khi t = 0 thì i = -Im
+ khi t = T/2 thì i = Im
b> Vẽ dạng sóng điện áp tải, dòng điện qua tải, dòng điện qua các van, dịng
điện qua nguồn cung cấp.
c> Tính dịng trung bình qua GTO và diode.
Bài 5.3. Cho sơ đồ biến tần nguồn áp một pha sử dụng GTO làm việc với tải
R+L trong đó cặp vàn V1, V2cùng làm việc cịn V3 V4. Biết E = 10V;
L = 1mH; R = 1 ; f = 100Hz.
a> viết biểu thức giải tích của dịng điện tải
+ khi t = 0 thì i = -Im
+ khi t = T/2 thì i = Im
b> Vẽ dạng sóng điện áp tải, dịng điện qua tải, dịng điện qua các van, dịng
điện qua nguồn cung cấp.
c> Tính dịng trung bình qua GTO và diode.
Chương5 Biến tần – nghịch lưu

196