(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bộ chỉnh lưu 3 pha theo nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM)

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu liên quan

1.1.1 Tồng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã được ứng dụng trong các mạch điều khiển và bảo vệ hệ thống điện công nghiệp, gọi là điện tử công nghiệp Đến thập niên 90, điện tử đã thay thế thành công các khí cụ điện từ trong việc cung cấp nguồn cho phụ tải một pha và ba pha, nhờ vào kích thước nhỏ gọn, khả năng điều khiển dễ dàng và độ tin cậy cao Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, yêu cầu về truyền động cho các thiết bị như máy cán, xe nâng hàng và cần cẩu điện ngày càng tăng Điện áp một chiều trở nên cần thiết trong các lĩnh vực này nhờ vào khả năng điều khiển tốc độ liên tục và biên tốc vô cấp Việc sản xuất điện áp một chiều qua kỹ thuật chỉnh lưu đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn, giúp chế tạo các bộ chỉnh lưu hiệu quả hơn.

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ nghiên cứu và đề xuất bộ chỉnh lưu 3 pha sử dụng nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM - Carrier Pulse Width Modulator) Bộ chỉnh lưu mới được phát triển với giải thuật thích hợp nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.

 Hệ số méo hài tổng THD đảm bảo theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7909 - 2.2-2008 và tiêu chuẩn quốc tế EN 6100 - 2.2

 Hệ số công suất lớn (xấp xỉ 1)

 Hệ số nhấp nhô điện áp chỉnh lưu thấp

1.1.2 Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố a Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về kỹ thuật chỉnh lưu PWM tại Việt Nam còn hạn chế Một trong những đề tài đáng chú ý là của nhóm tác giả Bùi Văn Đại và Vũ Minh Quang từ ĐH Thủy Lợi Hà Nội, với nghiên cứu về bộ chỉnh lưu 3 pha PWM và hệ thống điều chỉnh hai vòng hồi tiếp Nghiên cứu này áp dụng phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) và đã được công bố trong tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 Các kỹ thuật như tuyến tính hóa cũng được sử dụng trong nghiên cứu này.

Bộ điều khiển chỉnh lưu 3 pha đã được mô phỏng trong phần mềm Matlab/Simulink, cho kết quả điện áp Vdc ổn định và kháng nhiễu tốt Thời gian quá độ nhanh và dễ dàng điều chỉnh thông số Tuy nhiên, vẫn chưa có báo cáo rõ ràng về các chỉ số quan trọng như méo hài tổng (THD) và hệ số công suất (PF) Nghiên cứu quốc tế về vấn đề này vẫn đang tiếp tục phát triển.

Nhiều nghiên cứu quốc tế đã được thực hiện về điều khiển mạch chỉnh lưu PWM một pha và ba pha, với các kỹ thuật khác nhau Một trong những công trình tiêu biểu là nghiên cứu của Mahasweta Bhattacharya từ Đại học Kỹ thuật Tây Bengan, với đề tài "Cải thiện chất lượng điện năng bằng cách sử dụng chỉnh lưu PWM", được công bố trên Tạp chí Quốc tế về nghiên cứu khoa học vào tháng 7 năm 2014 Nghiên cứu này phân tích lợi ích của chỉnh lưu PWM so với các phương pháp truyền thống và áp dụng kỹ thuật kiểm soát dòng điện bằng PWM hình sin cùng với Bộ chuyển đổi Điện áp (VSC) để điều chế độ rộng xung Qua một thuật toán thích hợp, tác giả đã kiểm soát chỉ số điều chế sóng sin tham chiếu Vref và điện áp sóng mang Vtri, cho kết quả mô phỏng trên mạch chỉnh lưu PWM một pha với THD 2.39% và hệ số công suất gần 1 (PF = 0.99), tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng.

The research conducted by J Chelladurai and B Vinod from PSG College of Technology, India, focuses on the "Performance Evaluation of Three-Phase Scalar Controlled PWM Rectifier Using Different Carrier and Modulating Signals." This study was published in the Journal of Science and Technology.

Trong số 10, năm 2015 của Trường Đại học Taylor, các tác giả đã chứng minh tính hiệu quả cao của chỉnh lưu PWM có điều khiển kiểu vô hướng thông qua mô hình hóa toán học và mô phỏng So sánh giữa dòng điện nguồn của chỉnh lưu không có điều khiển và chỉnh lưu PWM cho thấy giá trị THD của chỉnh lưu PWM giảm mạnh xuống dưới 2%, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn IEEE 519 Mô hình chỉnh lưu PWM được khảo sát với nhiều kỹ thuật điều chế và sóng mang khác nhau, trong đó sóng mang hình tam giác cho thấy hiệu quả giảm THD tốt hơn so với sóng mang răng cưa Hệ thống thử nghiệm cũng được so sánh với tín hiệu điều chế thông thường bằng SAPWM, cho thấy THD của dòng điện nguồn giảm xuống dưới 0,8% khi sử dụng sóng mang hình tam giác Kết quả mô phỏng khẳng định tính khả thi của dự án đề xuất, với phương pháp cung cấp cải tiến trong điều khiển đơn giản mà không cần cảm biến điện áp đầu vào, dễ dàng thực hiện trong các bộ điều khiển tương tự Chỉnh lưu PWM có điều khiển kiểu vô hướng được xác nhận là phù hợp cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng vi-gió và hệ thống điều khiển phụ phía trước.

Tính cấp thiết của đề tài, đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đã thúc đẩy ứng dụng điện tử công suất trong ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành điện tử Nhu cầu nghiên cứu và thiết kế thiết bị điện công suất lớn ngày càng tăng, đặc biệt trong các lĩnh vực kinh tế và xã hội Điện áp một chiều được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động điện nhờ khả năng điều khiển tốc độ liên tục và dãy điều chỉnh rộng Tuy nhiên, việc sản xuất điện một chiều từ máy phát truyền thống gặp nhiều khó khăn và tốn kém Do đó, các phương pháp chỉnh lưu như chỉnh lưu 1 pha và 3 pha đã được áp dụng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành điện một chiều Mặc dù vậy, các mạch chỉnh lưu này vẫn gặp phải vấn đề như méo dòng điện, hệ số công suất thấp và điện áp gợn sóng lớn Vì vậy, nghiên cứu và đề xuất cấu hình chỉnh lưu mới với các giải thuật phù hợp là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực lên lưới điện và đảm bảo chất lượng điện áp chỉnh lưu.

1.2.2 Đóng góp khoa học của đề tài

1 Đóng góp 1 Lần đầu tiên sử dụng nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang cải biên (cộng giá trị offset) để giảm chuyển mạch cho các khóa công suất trong kỹ thuật chỉnh lưu 3 pha PWM

2 Đóng góp 2 Giảm thiểu méo hài dòng điện lên lưới phân phối khi thực hiện chỉnh lưu

3 Đóng góp 3 Cung cấp một giải thuật mới CPWM điều khiển mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển phục vụ cho công việc thực nghiệm về chỉnh lưu có điều khiển của nhà Trường

1.2.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1 Ý nghĩa 1 Tạo được một hướng nghiên cứu mới trong việc nghiên cứu chính lưu có điều khiển đó là: chỉnh lưu bằng phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang cải biên (CPWM)

2 Ý nghĩa 2 Khắc phục được một số nhược điểm của các chỉnh lưu đang sử dụng hiện nay

3 Ý nghĩa 3 Cho thấy khả năng triển khai và ứng dụng nguyên lý điều chế xung sóng mang (CPWM) trên cấu hình chỉnh lưu 3 pha.

Mục đích của đề tài

Mục đích của luận văn này là giới thiệu và phát triển một phương pháp chỉnh lưu AC/DC mới sử dụng điều chế độ rộng xung sống mang (CPWM), nhằm nâng cao hiệu quả và giải quyết vấn đề phi tuyến Phương pháp này tập trung vào việc giảm chỉ số THD khoảng 5%, đảm bảo điện áp và dòng điện đầu vào cùng pha với hệ số công suất gần bằng 1, đồng thời tạo ra dòng điện ngõ vào có dạng sin và điện áp chỉnh lưu với hệ số nhấp nhô thấp.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

 Thành lập mô hình và mô phỏng giải thuật đề xuất trên phần mềm PSIM

Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình nhúng sử dụng card DSP F28335, kết hợp với phần mềm Code Composer Studio V 3.3 và PSIM/simulation để thực hiện các thí nghiệm trên mô hình thực tế.

 Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng phương pháp nghiên cứu như: tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và thực nghiệm

 Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel

Mô phỏng và thực nghiệm trong lĩnh vực điện tử công suất được thực hiện bằng phần mềm PSIM, kết hợp với vi xử lý DSP TMS320 F28335 và chương trình Code Composer Studio V3.3 cùng các thiết bị hỗ trợ khác.

Điểm mới của đề tài

 Lần đầu triển khai ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) có bổ sung hàm offset trên cấu hình chỉnh lưu 3 pha

 Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật CPWM trên cấu hình chỉnh lưu cầu 3 pha

 Dựa trên các tiêu chuẩn TCVN 7909 - 2.2 -2008 và Quốc tế EN 6100 - 2.2 để đề xuất khả năng và phạm vi ứng dụng của chỉnh lưu 3 pha CPWM.

Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu gồm các phần chính như sau

 Khái quát về chỉnh lưu với các nội dung chính là:

 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển

 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

 Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Chỉnh lưu PWM 3 pha được điều khiển theo các nguyên lý như băng từ trễ HB-PWM (bang-bang), điều chế vector không gian SV-PWM, và dựa vào sóng mang CB-SPWM.

 Thiết kế phần cứng mạch chỉnh lưu PWM 3 pha

Đề tài luận văn nghiên cứu về chỉnh lưu ba pha có điều khiển thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nội dung chính bao gồm nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và thiết kế mạch chỉnh lưu PWM, cũng như xây dựng thuật toán và chương trình thực nghiệm dựa trên nguyên lý điều chế dạng sóng mang (CPWM).

Bố cục của đề tài

Đề tài luận văn được trình bày trong 72 trang Nội dung chính của đề tài luận văn được thể hiện qua 5 chương:

 Chương 1, Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài luận văn

Chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về cơ sở lý thuyết của chỉnh lưu, bao gồm các loại chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển Ngoài ra, chương này còn giải thích nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) và giới thiệu mạch chỉnh lưu PWM 3 pha Đồng thời, các phương pháp PWM trong hoạt động chỉnh lưu và các thông số cần tính toán cũng được đề cập chi tiết.

Chương 3 trình bày thiết kế và chế tạo cấu hình chỉnh lưu PWM dựa trên nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang Bài viết bao gồm sơ đồ mô phỏng và thực nghiệm, nhằm phục vụ cho nghiên cứu trong lĩnh vực này.

 Chương 4, Giải thuật điều khiển bộ chỉnh lưu PWM

 Chương 5 Kết quả nghiên cứu và hướng phát triển của đề tài

 Phụ lục: Chương trình code dùng để nhúng thực nghiệm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về kỹ thuật chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều (AC) thành năng lượng điện một chiều (DC) thông qua mạch chỉnh lưu, bao gồm các linh kiện điện - điện tử Trong công nghiệp, mạch chỉnh lưu được sử dụng để cung cấp nguồn điện một chiều, thường sử dụng điốt bán dẫn cho các mạch không điều khiển và thyristor, IGBT, MosFET cho các mạch có điều khiển Ứng dụng chính của mạch chỉnh lưu là trích xuất điện một chiều từ nguồn xoay chiều, đáp ứng nhu cầu của hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay.

Vì thế, các mạch chỉnh lưu được sử dụng bên trong mạch cấp nguồn của hầu hết các thiết bị điện tử

Mạch chỉnh lưu thường được chia theo số pha, hoặc theo cấu hình là hình tia hay hình cầu hoặc theo khả năng điều khiển

 Theo số pha, thì ta có các chỉnh lưu 1 pha, 3 pha, n pha

 Theo cấu hình có chỉnh lưu tia, chỉnh lưu cầu

 Theo khả năng điều khiển có chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển bán phần và toàn phần, chỉnh lưu điều khiển theo nguyên lý PWM

Đề tài luận văn chỉ tập trung vào chỉnh lưu 3 pha PWM có điều khiển, vì vậy không tiến hành khảo sát các kiểu chỉnh lưu 1 pha để làm cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu này.

Cấu trúc mạch chỉnh lưu không điều khiển

2.2.1 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển

Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển (Hình 2.1a) bao gồm 3 diode được mắc chung anode hoặc cathode Nguồn điện được kết nối theo kiểu sao (Y), trong khi tải được nối giữa điểm chung của các diode và trung tính của nguồn Trong trường hợp này, tải được xem là thuần trở Điện áp 3 pha được ký hiệu là u 2a, u 2b và u 2c, và được xác định theo trình tự nhất định.

Điện áp ra của mạch chỉnh lưu, dòng điện qua tải (trường hợp tải R) và điện áp trên các diode được mô phỏng trong hình 2.2 b Các diode chỉnh lưu sẽ dẫn khi điện áp pha đạt cực đại; ví dụ, trong khoảng [π/6;5π/6], điện áp u2a là lớn nhất, do đó diode D1 dẫn và điện áp tải là u2a Từ đó, điện áp trên tải ut có thể được xác định bằng công thức: ut = max(u2a, u2b, u2c).

Hình 2.1 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha (a) và kết quả mô phỏng (b) Điện áp trung bình trên tải được xác định qua (2.3):

(2.3) Điện áp ngược cực đại đặt lên diode là u D được xác định theo (2.4)

(2.4) Dòng điện trung bình qua diode iD,AVG được xác định: i D,AVG = (2.5)

Để thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải R, điện áp trung bình trên tải \( u_{t,AVG} \) yêu cầu xác định giá trị điện áp hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp.

Các diode được chọn phải có điện áp ngược chịu dựng Urev và dòng điện chịu đựng

(2.7) Điện áp nhấp nhô trên tải u t,PP được xác định theo (2.8):

Dòng điện chịu đựng của diode chỉnh lưu giảm 3 lần, trong khi điện áp ngược giảm 1.3 lần, giúp giảm chi phí cho khóa chuyển mạch Đồng thời, điện áp nhấp nhô cũng giảm gần 2 lần (khoảng 0.4ut, AVG), dẫn đến chi phí cho mạch lọc cũng giảm Đây là ưu điểm nổi bật của mạch chỉnh lưu tia 3 pha Tuy nhiên, khi xem xét méo hài tổng, sẽ xuất hiện một số vấn đề Cụ thể, dòng điện tại cuộn thứ cấp máy biến áp tương ứng với dòng qua diode, với n1, n2 là số vòng dây cuộn sơ cấp và iX,1, iX,2 là dòng điện pha x của cuộn sơ và cuộn thứ máy biến áp.

Do đó có thể xác định dòng điện sơ cấp như (2.11):

Phân tích méo hài tổng THD% của dòng điện sơ cấp (I1) cho thấy giá trị THD% đạt khoảng 65%, vượt xa tiêu chuẩn Việt Nam TCVN-7909 - 2.2-2008, dẫn đến chi phí cao để lắp đặt bộ lọc nhằm đạt tiêu chuẩn Hơn nữa, hệ số công suất chỉ đạt khoảng 0.84, cho thấy hiệu suất thấp của hệ thống Để khắc phục nhược điểm của chỉnh lưu tia, các cấu hình khác như chỉnh lưu cầu 3 pha, chỉnh lưu tia 6 pha và chỉnh lưu 12 xung đã được đề xuất.

2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển, như mô tả trong hình 2.2.a, bao gồm 6 diode được mắc chung anode và catode Nguồn điện u1 là sin 3 pha, với máy biến áp có thể đấu sao (Y) hoặc tam giác (Δ) Tải thuần trở R được kết nối với đầu cực dương và cực âm của các diode, cho thấy rằng chỉnh lưu cầu 3 pha thực chất là sự kết hợp của 2 bộ chỉnh lưu tia 3 pha với anode và catode chung Kết quả mô phỏng của mạch được trình bày trong hình 2.2.b, và nguyên lý hoạt động của mạch được tóm tắt trong bảng 2.1, trong đó ut được xác định bằng u t.

= max(u 2a -u 2b , u 2b - u 2c , u 2c - u 2a ). a) b) Hình 2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha (a) và kết quả mô phỏng (b)

Pha u2a có điện thế dương cao nhất, do đó trong nhóm cathode chung D1 sẽ dẫn, trong khi D3 và D5 sẽ ngắt Tương tự, D3 và D5 sẽ lần lượt dẫn khi điện thế trên anode của chúng đạt giá trị dương cao nhất.

Pha u2b có điện thế âm nhất nên D4 sẽ dẫn cùng D1 tạo nên ut = u2a-u2b

Pha u2c có điện áp âm nhất nên D6 sẽ dẫn cùng D1 tạo nên ut =u2a-u2c

Tương tự, ta có bảng 2.1 bên dưới

Bảng 2.1: Tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha Φ (rad)

Căn cứ kết quả mô phỏng có thể xác định điện áp trung bình trên tải u t, AVG theo (2.12) ut, AVG = -cos )

(2.12) Điện áp ngược cực đại đặt lên diode u D được xác định :

Giá trị trung bình dòng điện qua diode là iD, AVG được tính : iD, AVG = = (2.14)

Do hai chu kỳ u 2a -u 2b và u 2a -u 2c bằng nhau nên iD,AVG =

Để thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải R, giá trị điện áp hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp cần được xác định để đạt được điện áp trung bình trên tải u t,AVG.

U2 = ut, AVG (2.16) Như vậy, chỉnh lưu cầu 3 pha có:

 Điện áp thứ cấp máy biến áp giảmkhoảng 1.15 lần

 Điện áp ngược đặt lên diode giảm 4.31 lần

 Dòng điện trung bình qua diode giảm 1.33 lần

 Và THD% xấp xỉ 28% Giá trị nầy khá lớn so với tiêu chuẩn

Chỉnh lưu cầu 3 pha đã trải qua nhiều cải tiến nhằm giảm giá thành và nâng cao chất lượng, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng chú ý Cụ thể, chỉ số THD% vẫn cao (28% so với tiêu chuẩn ≤5%), điện áp nhấp nhô trên tải vẫn lớn (ut, PP = 0.30ut, AVG) và đặc biệt, cả chỉnh lưu tia lẫn chỉnh lưu cầu 3 pha không có khả năng điều chỉnh điện áp DC ở ngõ ra Do đó, cần thiết phải thiết kế mạch chỉnh lưu có khả năng điều chỉnh điện áp một chiều để khắc phục những hạn chế này.

Cấu trúc mạch chỉnh lưu 3 pha có điều khiển

2.3.1 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển Để điều chỉnh được điện áp DC một số cấu hình chỉnh lưu có điều khiển đã được đề xuất Đó là cấu hình chỉnh lưu tia 3 pha, và cầu 3 pha điều khiển toàn phần

Trong cấu hình chỉnh lưu có điều khiển, một hoặc toàn bộ nhóm diode chỉnh lưu được thay thế bằng các linh kiện điều khiển như SCR.

Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển (a) và kết quả mô phỏng với góc kích α = 30 0 (b)

Hình 2.3a minh họa sơ đồ nguyên lý và kết quả mô phỏng của chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển với góc kích 30 độ và tải thuần trở Khác với chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển sử dụng diode, chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển sử dụng thyristor, nơi các xung kích được đưa vào cực cổng (G) với góc kích α để điều khiển quá trình dẫn điện của thyristor theo yêu cầu.

Do đó điện áp trung bình trên tải ut, AVG được xác định : ut, AVG = (-(cos ut, AVG =

(2.17) Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor là uTh được xác định theo :

UTh = U2 (2.18) Giá trị trung bình dòng điện qua thyristor là iTh, AVG được tính : iTh, AVG

Để thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải R, điện áp trung bình trên tải \( u_{t,AVG} \) yêu cầu xác định giá trị điện áp hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp.

Do đó khi góc kích α = 0 việc lựa chọn công suất, SCR sẽ giống như lựa chọn diode, biến áp của mạch chỉnh lưu không điều khiển

Công thức (2.19) và dạng sóng ut ở ngõ ra của mạch chỉnh lưu cho thấy khả năng điều khiển điện áp DC tại ngõ ra trong khoảng [0; π].

2.3.2 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển toàn phần

Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển toàn phần bao gồm 6 thyristor được chia thành 2 nhóm: nhóm anode chung với THY1, THY2, THY3 và nhóm catode chung với THY4, THY5, THY6 Thiết bị này cơ bản là sự kết hợp của 2 chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển, tạo ra hiệu suất cao trong quá trình chuyển đổi điện năng.

Hình 2.4 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển toàn phần ( a) và kết quả mô phỏng với góc kích α0 0 (b)

Do đó, có thể tính nhanh các kết quả như sau: Điện áp trung bình trên tải uTh, AVG được xác định theo (2.21)

= Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor được xác định :

UTh = U2 (2.22) Giá trị trung bình dòng điện qua thyristor là iT, AVG được tính : iTh, AVG = 2( cos ) = cos (2.23)

Để thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải R, điện áp trung bình trên tải (u t,AVG) yêu cầu giá trị điện áp hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp phải được xác định chính xác.

Khoảng điều khiển của điện áp ra là [0;π]

So với chỉnh lưu cầu 3 pha thì THD của chỉnh lưu này lớn hơn, xấp xỉ 35%

*Nhận xét chung về chỉnh lưu có điều khiển

Điện áp DC ở ngõ ra có thể điều chỉnh từ 0 đến giá trị tối đa của sơ đồ tương đương không điều khiển sử dụng diode bằng cách thay đổi góc kích của các SCR Do đó, cần có mạch điều khiển góc kích cho các khóa (SCR) chuyển mạch trong các dạng chỉnh lưu này.

 Hệ số công suất (PF) tỉ lệ thuận với điện áp ngõ ra của mạch

Các linh kiện trong mạch chỉ có khả năng điều khiển dẫn, điều này gây khó khăn trong việc đạt cực đại hệ số công suất và cực tiểu giá trị hệ số méo hài tổng (THD) Do đó, việc thay thế các SCR bằng linh kiện có khả năng điều khiển đóng và ngắt là cần thiết Khi đó, bộ chỉnh lưu sẽ có khả năng điều khiển cả thời gian dẫn và thời gian ngắt, cho phép thay đổi tỉ số giữa hai thời gian này Mạch chỉnh lưu này được gọi là chỉnh lưu PWM, với độ rộng xung có thể điều chỉnh.

Mạch chỉnh lưu PWM

Chỉnh lưu PWM là phương pháp điều chỉnh mà các khóa công suất được kiểm soát để thay đổi thời gian dẫn và ngắt trong quá trình chuyển mạch, với mục đích kiểm soát độ lớn sóng hài của dòng điện ba pha đầu vào bộ chỉnh lưu Điều chế độ rộng xung (PWM) giúp giám sát sự hình thành phổ sóng hài của dòng điện nguồn, đảm bảo mức THD thấp theo tiêu chuẩn quy định Chỉ số điều chế m phản ánh khả năng sử dụng điện áp DC trong hoạt động PWM Hiện nay, chỉnh lưu PWM là giải pháp tối ưu cho hiệu suất và hiệu quả, giúp loại bỏ méo hài, tăng hệ số công suất gần 1, cân bằng tải và kiểm soát, giảm gợn cho điện áp DC đầu ra.

2.4.1 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM:

PWM, viết tắt của Pulse Width Modulation, là phương pháp điều chế dựa trên việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông tương ứng với điện áp điều khiển trong mạch Sự thay đổi này được thực hiện qua việc so sánh biên độ sóng điều khiển với biên độ sóng mang dạng răng cưa hoặc tam giác Có hai phương pháp PWM: phương pháp có cùng tần số sóng mang và phương pháp không cùng tần số Hiện nay, phương pháp PWM phổ biến thường sử dụng là phương pháp có tần số sóng mang không thay đổi.

Nguyên lý điều chế PWM được mô tả qua ba tín hiệu điện áp điều khiển hình sin Va, Vb và Vc, cùng với sóng tam giác Vtri Việc điều chỉnh biên độ của các sóng điều khiển sẽ ảnh hưởng đến độ rộng của các xung kích STa, STb và STc, từ đó đưa đến mạch kích IGBT Kết quả là thời gian dẫn và ngắt của IGBT sẽ thay đổi theo biên độ sóng điều khiển tương ứng Trong quá trình chỉnh lưu PWM, IGBT sẽ thay thế SCR (hoặc diode) và được kích hoạt bằng phương pháp điều chế độ rộng xung với điện áp điều khiển biến thiên theo dạng sin (sinPWM).

Hiện nay, hầu hết các bộ nghịch lưu và chỉnh lưu PWM sử dụng phần mềm để thực hiện điều chế PWM, thay vì chỉ dựa vào phần cứng như các mạch so sánh Hình 2.6 cho thấy mối liên hệ giữa các điện áp Vn, VTri và khóa STn.

Do đó chương trình thực hiện điều chế PWM có thể thực hiện bằng câu lệnh sau: STn = 1.(Vn>=Vtri)+0.(Vn