CHƯƠNG 5: BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU-XOAY CHIỀU ( Bộ nghịch lưu độc lập) MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Cung cấp cho sinh viên kiến thức biến đổi chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) Sinh viên nắm sơ đồ ngun lý, hình dạng dịng điện điện áp van, tải Từ xác định biết ứng dụng nghịch lưu thực tế 5.1 KHÁI NIỆM CHUNG Trong lĩnh vực biến đổi lượng điện nhiều trường hợp phải thực trình biến đổi nguồn điện chiều thành điện áp dịng điện xoay chiều điều chỉnh giá trị tần số dịng áp xoay chiều đầu Có số thiết bị biến đổi thực nhiệm vụ này, phổ biến BBĐ chiều-xoay chiều sử dụng dụng cụ bán dẫn có điều khiển mà người thường gọi theo tên khác sơ đồ nghịch lưu 5.1.1 Phân loại Có nhiều kiểu sơ đồ nghịch lưu khác nhau, để phân loại người ta sử dụng nhiều cách khác như: Dựa vào tính chất nguồn cung cấp, dựa vào số pha đại lượng ra, dựa vào đặc trưng thiết bị chuyển mạch, dựa vào đặc tính phụ tải, dựa vào kiểu sơ đồ, dựa vào dụng cụ sử dụng sơ đồ BBĐ, kết hợp số đặc trưng trên, v.v Ở ta nghiên cứu phân loại BBĐ dựa vào đặc tính nguồn cung cấp đặc tính phụ tải, với cách phân loại BBĐ chiều-xoay chiều chia làm loại : -BBĐ điện áp (nghịch lưu điện áp): Là BBĐ chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp nguồn điện áp phụ tải khơng có tính chất dao động cộng hưởng có tính chất dao động cộng hưởng tần số cộng hưởng f nhỏ tần số điện áp BBĐ f 1 (f tần số làm việc BBĐ) Trong thực tế nguồn cung cấp cho BBĐ chiều-xoay chiều thường lấy từ đầu sơ đồ chỉnh lưu nên nguồn có đặc trưng gần với dạng nguồn áp lý tưởng người ta thường mắc song song với cực nguồn tụ C0 có giá trị đủ lớn (ý nghĩa từ đủ lớn tuỳ thuộc vào chế độ tần số làm việc, độ xác yêu cầu mà lựa chọn giá trị cần thiết C 0) Tụ C0 có tác dụng trì cho điện áp cực nguồn không thay đổi BBĐ làm việc, đồng thời đảm bảo tính dẫn dịng chiều nguồn -BBĐ dòng điện (nghịch lưu dòng điện): Là BBĐ chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp nguồn dòng điện phụ tải khơng có tính chất dao động cộng hưởng có tính chất dao động cộng hưởng tần số cộng hưởng f nhỏ tần số dòng điện BBĐ f (f tần số làm việc BBĐ) Trong thực tế nguồn cung cấp cho BBĐ dòng điện thường lấy từ đầu sơ đồ chỉnh lưu nên nguồn có đặc trưng gần với dạng nguồn dịng lý tưởng người ta thường mắc nối tiếp với nguồn điện cảm L0 có giá trị đủ lớn (ý nghĩa từ đủ lớn tuỳ thuộc vào chế độ tần số làm việc, độ xác yêu cầu mà lựa chọn giá trị cần thiết L 0) Điện cảm L0 có tác dụng trì cho dịng điện nguồn khơng thay đổi BBĐ làm việc, đồng thời đảm bảo tổng trở lớn nguồn -BBĐ cộng hưởng (nghịch lưu cộng hưởng): Là BBĐ chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp nguồn điện áp nguồn dòng điện phụ tải phải có tính chất dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f lớn tần số điện áp dòng điện BBĐ f (f tần số làm việc BBĐ) Trong thực tế để có tính chất dao động cộng hưởng mạch tải phải có phần tử điện cảm điện dung, ngồi để đặc trưng cho tiêu thụ cơng suất tác dụng tải tải phải có giá trị điện trở tương đương Từ ta thấy trình dao động cộng mạch tải BBĐ trình tắt dần Phụ thuộc vào cách nối phần tử mạch tải mà loại BBĐ chia loại khác 5.1.2 Ứng dụng BBĐ chiều-xoay chiều Các BBĐ chiều-xoay chiều ứng dụng nhiều thiết bị điện khác công nghiệp đời sống hàng ngày, sau ta giới thiệu số ứng dụng chủ yếu loại BBĐ này: 2 - Điều khiển tốc độ động điện xoay chiều đồng không đồng phương pháp thay đổi tần số nguồn cung cấp cho mạch stator động Đây ứng dụng quan trọng BBĐ công nghiệp Bằng phương pháp điều chỉnh tốc độ ta đạt phạm vi điều chỉnh rộng với độ cứng đặc tính cao, thay cho nhiều hệ thống truyền động điện mà trước phải sử dụng động điện chiều loại động có kích thước lớn, giá thành cao tuổi thọ thấp động điện xoay chiều - Cung cấp nguồn xoay chiều cho lò tần số Đây ứng dụng quan trọng BBĐ chiều-xoay chiều, thay cho đèn phát điện tử có hiệu suất thấp 5.1.3 Sơ đồ khối BBĐ tần số có khâu trung gian chiều Các thiết bị biến đổi tần số sử dụng nhiều cơng nghiệp Thơng thường thiết bị biến tần chia làm loại chính: - Các thiết bị biến tần trực tiếp: Đây thiết bị biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều (thường điện áp lưới điện cơng nghiệp) thành điện áp xoay chiều khác có tần số điều chỉnh phạm vi định Thiết bị biến tần thực chất sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Để tạo điện áp pha đầu thiết bị gồm chỉnh lưu mắc song song ngược, khoảng thời gian nửa chu kỳ thứ điện áp ta cho sơ đồ chỉnh lưu thứ làm việc, nửa chu kỳ ta cho sơ đồ chỉnh lưu thứ hai làm việc kết ta có điện áp tải điện áp xoay chiều với tần số tần số chuyển đổi làm việc sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Để có điện áp nhiều pha người kết hợp nhiều biến tần pha khống chế chúng theo qui luật xác định Nhược điểm thiết bị biến tần phạm vi thay đổi tần số hẹp, chất lượng điện áp xấu I a f1,U1 I + = H×nh 5.1 b II C0 Ud - I II f1,U1 L0 + = f2,U2 = Ud - I Id = f2,I2 - Các thiết bị biến tần gián tiếp: Đây thiết bị biến đổi tần số thông qua số khâu trung gian, có nhược điểm cồng kềnh, hiệu suất thấp biến tần trực tiếp lại khắc phục nhược điểm biến tần trực tiếp Các BBĐ chiềuxoay chiều thường khâu thiết bị biến đổi tần số gián tiếp Tuỳ thuộc vào loại BBĐ chiều-xoay chiều sử dụng mà ta có biến tần nguồn áp, biến tần nguồn dòng hay biến tần cộng hưởng BBĐ cộng hưởng trường hợp đặc biệt BBĐ điện áp hay dịng điện nên sơ đồ khối biến tần cộng hưởng giống biến tần nguồn áp giống biến tần nguồn dịng Ta có sơ đồ khối biến tần nguồn áp hình 5-1a biến tần nguồn dịng hình 5-1b Trong : *Khâu I chỉnh lưu, làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều lưới điện có tần số cố định f1 điện áp không đổi U1 thành điện áp chiều Ud *Khâu II khâu lọc, có tác dụng tạo nguồn cung cấp cho BBĐ chiều có tính chất nguồn áp Ud=const tính chất nguồn dịng Id=const *Khâu III BBĐ chiều-xoay chiều, đầu ta thu điện áp dịng điện xoay chiều có giá trị tần số điều chỉnh Các sơ đồ BBĐ chiều-xoay chiều sử dụng dụng cụ bán dẫn tiristor transitor Trong phần ta nghiên cứu sơ đồ nghịch lưu dùng thyristor 5.2 NGHỊCH LƯU ĐIỆN ÁP 5.2.1 Nghịch lưu điện áp pha 5.2.1.1 Nguyên tắc khống chế Nghịch lưu điện áp pha thực nhiều sơ đồ khác Để xét nguyên tắc tạo điện áp xoay chiều tải nguồn cung cấp cho BBĐ chiều ta sử dụng sơ đồ phổ biến sơ đồ nghịch lưu cầu pha Trên hình 5-2 sơ đồ mạch lực (động lực) nghịch lưu điện áp pha mắc theo kiểu cầu (còn thiếu mạch chuyển đổi) Trong sơ đồ này: + D11 Ud C0 T1 A it D44 - T4 D33 T3 ut Zt B Hình 5-2 T2 D22 -Ud nguồn điện áp chiều cung cấp cho sơ đồ BBĐ, cơng nghiệp thường điện áp sơ đồ chỉnh lưu -Tụ C0 tụ lọc, góp phần tạo cho nguồn cung cấp có tính chất nguồn điện áp Tụ C0 đảm bảo cho điện áp cực nguồn khơng đổi đảm bảo tính dẫn dịng hai chiều nguồn - Các thyristor T1, T2, T3, T4 tiristor dùng để biến điện áp chiều thành điện áp xoay chiều -Các điôt D11, D22, D33, D44 mắc thành sơ đồ cầu gọi cầu điơt ngược, cho phép phụ tải có tính cảm kháng trả lại lượng phản kháng cho nguồn -Zt phụ tải xoay chiều BBĐ, trường hợp tổng qt Z t có đầy đủ phần tử như: điện trở Rt; điện cảm Lt; điện dung Ct sức phản điện động Et Thông thường ta xét loại phụ tải điện trở-điện cảm (R t-Lt), loại tải xoay chiều hay gặp nhất, động xoay chiều khơng đồng thay tương đương dạng tải ut Hình 5-3 Ud -Ud T1,T2 mở T1,T2 mở t T3,T4 më T3,T4 mở *Nguyên tắc khống chế : Để tạo điện áp xoay chiều tải Z t người ta khống tiristor BBĐ làm việc theo qui luật sau: -Khi cần có nửa chu kỳ dương điện áp tải người ta khống chế mở hai van T 1, T2 khoá hai van T3, T4 Lúc điện áp tải (cũng điện áp điểm A B) là: ut=Ud 5 -Khi cần có nửa chu kỳ âm điện áp tải người ta khống chế mở hai van T 3, T4 khoá hai van T1, T2 Lúc điện áp tải là: ut=-Ud Nhờ việc khống chế van làm việc theo qui luật lặp lặp lại với chu kỳ chu kỳ điện áp yêu cầu ta có điện áp tải điện áp xoay chiều có dạng hình chữ nhật (cịn gọi dạng sin chữ nhật) Đồ thị điện áp tải cho van làm việc theo qui luật minh hoạ hình 5-3 5.2.1.2 Nguyên lý làm việc sơ đồ có xét đến điơt ngược, tải Rt-Lt a Nguyên lý làm việc sơ đồ có xét đến điơt ngược, tải Rt-Lt Ta giả thiết sơ đồ làm việc chế độ xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét ωt=0 (thời điểm mốc bắt đầu xét ωt=0 thời điểm ta truyền xung điều khiển đến mở van T T2) Như lân cận trước ωt=0 sơ đồ có van T T4 dẫn dòng, dòng điện sơ đồ lúc khép kín theo mạch: (+U d) - T3 - Zt -T4 - (-Ud), điện áp tải ut=-Ud cịn dịng tải có giá trị âm Tại ωt=0 ta khống chế khoá van T3, T4 (nhờ mạch chuyển đổi tương tự BBĐ chiều-một chiều) truyền tín hiệu điều khiển đến mở T1 T2 Hai van T3, T4 khoá lại tải có điện cảm L t nên dịng qua tải khơng thể đổi chiều ngay, tức dòng tải chưa khép qua T 1, T2 Lúc hai van T3, T4 khoá lại làm cho dịng tải giảm có xu hướng đổi chiều, L t xuất s.đ.đ tự cảm chống lại trình tiếp tục trì dòng tải theo chiều cũ khoảng thời gian lúc dịng tải khép kín theo mạch: Z t - D11 - Ud - D22 -Zt Như dòng tải chưa đổi chiều điện áp tải đổi chiều (u t=Ud), dòng qua nguồn lúc ngược chiều với điện áp nguồn, tức giai đoạn nguồn chiều thu cơng suất Về mặt lượng giai đoạn lượng tích luỹ điện cảm phụ tải Lt giai đoạn T3 T4 dẫn dòng (cũng gọi lượng phản kháng) giải phóng chuyển trả cho nguồn cung cấp chiều Khi tồn lượng tích luỹ Lt giải phóng hết dịng tải khơng bắt đầu đổi chiều (tại ωt=ωt1) khép qua T1 T2 Vậy giai đoạn từ ωt=ωt1÷ωt=π T1 T2 làm việc, dịng tải khép kín theo mạch: (+Ud) - T1 - Zt - T2 - (-Ud) , ut=Ud Tại ωt=π ta khống chế khoá T1, T2 mở T3, T4 Cũng tương tự ωt=0, lúc s.đ.đ tự cảm sinh L t làm cho dịng tải tiếp tục trì theo chiều cũ (tức i t dương) khép kín theo 6 mạch: Zt - D33 - Ud - D44 - Zt , điện áp tải đổi chiều: u t=-Ud Đến ωt=ωt2=ωt1+π dịng tải khơng đổi chiều, khép kín theo mạch: (+U d) - T3 - Zt - T4 - (-Ud) ωt=2π, giai đoạn ut=-Ud Trong chu kỳ hoạt động sơ đồ tương tự chu kỳ vừa xét b Dòng qua tải Rt-Lt Từ nguyên lý hoạt động vừa nêu ta thấy nửa chu kỳ từ ωt=0 đến ωt=π điện áp tải ut=Ud , cịn nửa chu kỳ sau ngược lại ut=-Ud Do tính chất đối xứng nửa chu kỳ nên ta cần xác định biểu thức dòng tải nửa chu kỳ đủ Ta xét cho giai đoạn ωt=0 đến ωt=π, giai đoạn ta có phương trình vi phân sau: R t i t + L t di t /dt =U d Chuyển sang dạng toán tử Laplace ta được: (5.1) R t I(p) + p.L t I(p)-L t i(0) =U d /p ( 5-2) I(p) ảnh Laplace i t, cịn i(0) giá trị dòng tải thời điểm ωt=0, sơ đồ BBĐ làm việc chế độ xác lập với tính đối xứng nửa chu kỳ điện áp dòng điện tải ta suy i(0) giá trị i t ωt=2π ngược dấu với dòng tải ωt=π, ta ký hiệu giá trị dòng tải ωt=π Im trường hợp ta có: i(0)=-Im Ta đặt Rt/Lt =a, giải phương trình (5-2) ta được: I(p) = U d a / [R t p.(a+p)] - I m /(a+p) Chuyển dạng hàm gốc ta được: ( 5-3) i t = (U d /R t ).(1-e - a t ) - I m e - a t ta tìm giá trị Im cho t=T/2=π/ω, với T chu kỳ điện áp : ( 5-4) I m =(U d /R t ).(1-e - a T / ) - I m e - a T / Suy I m =(U d /R t ).(1-e - a T / )/(1+ e - a T / ) thay (5-6) vào biểu thức (5-4) biến đổi, cuối ta : ( 5-5) ( 5-6) i t = (U d /R t ).(1+e - a T / -2e - a t )/(1+e - a T / ) Đồ thị dịng áp tải hình 5-4 ut it Hình 5-4 ut Ud it Im t2 -Im -Ud (5-7) t1 t3 t4 t Giá trị t xác định cách thay t=t vào biểu thức dòng it cho vế trái không, cuối ta rút : t = (L t /R t ).ln[(U d +R t I m )/U d ] ( 5-8) Cũng từ kết ta có: Các tiristor thời gian chu T dẫn dòng khoảng T-t1, điơt ngược dẫn dịng khoảng t Xuất phát từ nhận xét ta tìm giá trị trung bình dịng qua van sau: - Dịng trung bình qua điơt ngược: (5-9) - Dịng trung bình qua tiristor: (5-10) 5.2.1.3 Một số sơ đồ nghịch lưu điện áp pha nguyên lý làm việc a Sơ đồ Sơ đồ nguyên lý BBĐ hình 5.5, sơ đồ phần tử giống sơ đồ hình 5.2 cịn có thêm phần tử mạch chuyển đổi (mạch để khố tiristor chính), đó: L1, L4, C1, C4 phần tử chuyển mạch van T1 T4 ; L2, L3, C2, C3là phần tử chuyển mạch van T2 T3 Các điện cảm T1 D11 Hình 5-5 Ud C0 D44 - * C1 C4 L1 + - * L4 T4 T3 ut L3 it Zt L2 T2 D33 * + - * C3 C2 D22 chuyển mạch có giá trị nhỏ nhau, mặt khác cặp L L4 , L2 L3 có liên hệ hỗ cảm với (ghép kiểu biến áp) với hệ số liên hệ • Nguyên lý hoạt động sơ đồ Để xét nguyên lý chuyển mạch sơ đồ ta cần xét q trình khố van sơ đồ suy cho trường hợp khố van cịn lại Ta xét q trình khố T Ta giả thiết sơ đồ làm việc bình thường, hai van T T2 dẫn dòng sụt điện áp dịng tải L1 L2 bỏ qua không đáng kể , u T1 = uT2 = 0, mà tụ C C4 nạp đến giá trị Ud với cực tính ghi sơ đồ hình 5-5, cịn điện áp C1 C2 không Tại thời điểm t=t0 ta cần khoá T1, T2 mở T3, T4, ta truyền xung điều khiển đến hai van T3, T4 q trình khố T1 , T2 diễn Ta xét q trình khố T1, cịn q trình khố T2 diễn tương tự Khi T có tín hiệu điều khiển T4 mở đặt điện áp thuận điện áp tụ C lúc tụ C4 phóng điện qua điện cảm L4 van T4, sụt điện áp T4 mở bỏ qua (uT4=0) nên L4 đặt điện áp điện áp C4, tức là: uL4=uC4 Mặt khác liên hệ kiểu biến áp L L4 mà L1 cảm ứng điện áp điện áp L 4: uL1=uL4 Với cực tính cuộn dây sơ đồ ta có : Tại thời điểm T mở L1 L4 xuất điện áp 2Ud với cực tính dương đặt vào katơt T1 âm đặt vào anôt T4 van T1sẽ có điện áp ngược: uT1 = Ud - 2Ud = -Ud T1 khoá lại, điện áp tụ C giảm khơng điôt D 44 mắc song song với C4 mà trình nạp ngược lại C khơng xẩy ra, lúc tụ C nạp đến điện áp Ud, với phụ tải có đặc tính điện trở-điện cảm dịng tải chưa đổi chiều mà khép qua D44 D33 nguồn cung cấp, van T4 tạm thời khố lại Khi lượng tích luỹ Lt giải phóng hết dịng tải khơng có xu hướng đổi chiều, lúc T4 T3 cịn tín hiệu điều khiển van lại mở dịng 9 tải đổi chiều Q trình khố van T T4 diễn tương tự ta truyền tín hiệu điều khiển đến mở van T1, T2 • Tính tốn phần tử chuyển mạch Ta giả thiết phụ tải điện trở-điện cảm với điện cảm L t phụ tải lớn nhiều so với điện cảm chuyển mạch L (L 1=L2= L3=L4=LuA nên T1 bị đặt điện áp ngược khố lại Sau phóng đến điện áp khơng tụ C cm nạp ngược lại để chuẩn bị cho việc khoá T ta mở T8 Quá trình khoảng tiếp sau diễn tương tự 5.4 NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG 5.4.1 Phân loại nghịch lưu cộng hưởng theo tải Như nêu phần thứ chương này, nghịch lưu cộng hưởng BBĐ chiều-xoay chiều nguồn có đặc trưng tải phải dao động cộng hưởng với tần số lớn tần số làm việc BBĐ Khi nguồn cung cấp dạng nguồn áp người gọi nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào hở, nguồn cung cấp dạng nguồn dòng 28 28 người gọi nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào kín Chính dao động cộng hưởng phụ tải làm ngắt dòng qua van làm cho van khố nên sơ đồ BBĐ khơng phải sử dụng phần tử chuyển mạch nghịch lưu áp dòng nghiên cứu Để mạch tải có tính chất dao động cộng hưởng người ta sử dụng phần tử R-L-C mắc theo sơ đồ khác BBĐ thường phân loại theo cách mắc mạch tải: -Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp : có phần tử phụ tải mắc nối sơ đồ hình 5-29a -Nghịch lưu cộng hưởng song song: có phần tử phụ tải mắc song song theo sơ đồ hình 5-29b 5-29c -Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp-song song: có phần tử phụ tải mắc theo sơ đồ hình 5-29d 5-29e Ct A A Ct Lt Rt B a b B A Lt Ct Ct2 Ct1 B Lt Rt Rt A Lt c d B Rt Ct2 A Ct1 Lt B Rt Hình 5-29 e 5.4.2 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp nguồn áp 5.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 5-30 + D11 Ud C0 T1 A Ct it Rt D33 T3 T¶i Lt B uCt 29 - D44 T4 ut T2 D22 29 Sơ đồ BBĐ biểu diễn hình 5-30, sơ đồ ta có: Các thyristor T1÷T4 dùng để biến đổi lượng điện chiều nguồn thành lượng điện xoay chiều phụ tải gồm phần tử R t, Lt Ct, giá trị phần tử phụ tải lựa chọn cho chúng có tính chất dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f0>f tần số làm việc BBĐ Ta có f 0=ω0/2π f=ω/2π (hay ω=2πf), giá trị ω0 xác định theo cơng thức sau: Trong sơ đồ cịn sử dụng điơt ngược D11÷D44 để trả lượng phản kháng từ tải nguồn 5.4.2.2 Nguyên lý làm việc Đối với BBĐ tuỳ theo quan hệ f f mà xẩy chế độ khác dòng tải: Chế độ dòng tải gián đoạn chế độ dòng tải liên tục a Chế độ dòng tải gián đoạn Chế độ làm việc BBĐ xẩy f 0>2f Nguyên lý làm việc sơ đồ trường hợp sau: Giả thiết ωt=0 ta truyền xung điều khiển đến mở T T2 , hai van mở bắt đầu dẫn dòng bắt đầu xuất q trình dao động mạch Dịng qua tải tăng từ khơng (do chế độ dịng tải gián đoạn nên thời điểm mở cặp van có điều khiển dịng tải khơng) đến giá trị cực đại giảm không ωt=ωt1=ν1 (ta có ω0t1=π ) bắt đầu đổi chiều Do van khơng cho dịng ngược chiều nên T1 T2 tự khố lại, dịng tải khép kín qua điôt ngược D11, D22 qua nguồn cung cấp Đến ωt=ωt2 =ν2 =2ωt1 (ta có ω0t2=2π ) dịng tải lại khơng có xu hướng đổi chiều nên D11, D22 khoá lại Mặt khác thyristor T1, T2 khố từ trước nên dịng tải giữ khơng Tại thời điểm ωt=π ta truyền xung điều khiển đến mở T T4, hai van mở 30 30 trình dao động dịng mạch tải lại bắt đầu Trên hình 5-31a biểu diễn số đồ thị minh hoạ nguyên lý hoạt động sơ đồ chế độ dòng tải gián đoạn Góc dẫn điơt góc dẫn tiristor (ký hiệu λ) Góc khố van trường hợp là: β=λ hay thời gian khoá thyristor uđkT uđkT tk=λ/ω =π/ω0 t 2 t it it t t iT1 iT2 iD1 t iD2 t uT2 t T t t uT2 Ud uC iD2 uT1 Ud iD1 uT1 D t uC t a Hình 5-31 t b b Chế độ dòng điện tải liên tục Khi BBĐ làm việc với tần số cộng hưởng f thoả mãn : f