chuong 4_p1

8/16/2019 Chuong 4_P1

1/34

1

Chương 4

BỘ NGHỊCH LƯU

(NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP)

2

Giớ

i thiệu

Bộ nghịch lưu (inverter)

─ Ngõ vào: Điện áp DC

─ Ngõ ra: Điện áp (hoặc dòng điện) AC thay đổi được tần số và biên độ

─ Sử dụng linh kiện bán dẫn công suất

Phân loại theo cấu hình:

─ Nghịch lưu nguồn áp

─ Nghịch lưu nguồn dòng

Phân loại theo tín hiệu điều khiển:

─ Điều khiển kiểu sóng vuông

─ Điều khiển kiểu điều r ộng xung (PWM)

Ứng dụng:

─ Truyền động điện động cơ xoay chiều

─ Trong lãnh vực gia nhiệt cảm ứng (máy hàn điện, lò nung cao tần, v.v….)

─ Trong lãnh vực truyền tải điện, chiếu sáng, v.v…

8/16/2019 Chuong 4_P1

2/34

3

Giới thiệu

- Nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter – VSI): Bộ nghịch lưu được cấpnguồn từ nguồn điện áp. Điện áp ra được điều khiển bởi tín hiệu kích (điều khiển) bộ

nghịch lưu, dòng ra phụ thuộc vào tải. Bộ nghịch lưu kiểu này phù hợp với tải có tính

cảm kháng.

- Nghịch lưu nguồn dòng (Current Source Inverter – CSI): Bộ nghịch lưu được cấp

nguồn từ nguồn dòng điện. Dòng điện ở ngõ ra được điều khiển bởi tín hiệu kích (điều

khiển) bộ nghịch lưu, điện áp ra phụ thuộc vào tải. Bộ nghịch lưu kiểu này phù hợp với

tải có tính dung kháng.

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)đượ c kích đối nghịch nhau

Không có tr ườ ng hợ p hai công tắc trên cùng một nhánh cầucùng dẫn hoặc cùng tắt

8/16/2019 Chuong 4_P1

3/34

5

Bộ nghịch lưu áp một pha Điều khiển kiểu sóng vuông

- Khoảng I: S1, S2 được kích, dòngđiện đi theo chiều:U+S1TảiS2U-

- Khoảng II: S3, S4 được kích dòngđiện đi theo chiều:U-D4TảiD3U+

- Khoảng III: S3, S4 được kích dòng

điện đi theo chiều:U+S3TảiS4U-

- Khoảng IV: S1, S2 được kích, dòngđiện đi theo chiều:U-D2TảiD1U+

6


Nghịch lưu áp một pha điều khiển đơ n giản:

Có thể chứng minh đượ c doøng taûi trong moät chu kyø hoaït ñoängđượ c bieåu dieãn nhö sau:

T t T e R

U I

R

U

T t e R

U I

R

U

i T t

t

t

2

20

2

2

2

.

.

max

min

Ở chế độ xác lậ p: Imax=-Imin.

Aùp duïng quan heä treân vaøo caùc heä thöùc tính I, ta thu ñöôïc:

2

2

1

1T

T

e

e

R

U I I minmax

8/16/2019 Chuong 4_P1

4/34

7


Phaân tích Fourier của điện áp ngõ ra dạng xung vuông:

1,3,5...

4.( ) .sin( . . )t

n

U u t n t

n

Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc leû .

Ñoä meùo daïng ñieän aùp ñöôïc tính theo heä thöùc sau:

)1( t

2 )1( t

2 t

)1( t

2 n

2 )n ( t

U U

U U

U

U

THD

Từ đó suy ra hệ số méo dạng của nghịch lưu cầu 1 pha dạng xung vuông:2

22 2

(1)

(1)

4

20,483

4

2

48,3%t t

U

t

U U U U THD

U U

; Ut=U

Điều khiển kiểu sóng vuông

8


Vớ i tải RL, dòng tải có thể tính theo công thức sau:

22

1,3,5...

4( ) sin( )t n

n

U i t n t

n R n L

Trong đó: 1tann n L R

Điều khiển kiểu sóng vuông

Mạch tương đương của tải R + L với sóng hài bậc n

8/16/2019 Chuong 4_P1

5/34

9

Bộ nghịch lưu áp một phaVí duï 5.5:

Cho boä nghòch löu aùp daïng caàu moät pha vôùi daïng soùng ñieän aùp cho treân hình.

Giaû thieát doøng ñieän qua taûi coù daïng 540 sin( 4)t i t .Nguoàn DC coù ñoä lôùn 300V.a. Veõ daïng soùng doøng taûi vaø doøng qua nguoàn vaø xaùc ñònh khoaûng daãn

cuûa töøng linh kieän.b. Xaùc ñònh trò trung bình doøng qua nguoàn vaø coâng suaát do nguoàn cung caáp.c. Xaùc ñònh coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi.

10


a.

Dạng sóng dòng tải và dòng nguồn vẽ trên hình

b.

Dòng trung bình qua nguồn:

0

12434

5401

At d t I sAV ,)().sin(.

Công suất nguồn cung cấ p:Ps=300.243,1=72.930W=72,93kW

c. Trò hieäu duïng thaønh phaàn haøi cô baûn aùp ra:

V U

U t 142702

300400

2

41 ,

.)(

Pt=Ut(1).It(1).cos 1 =270,14.42

540 cos. =72,930W=72,93kW

8/16/2019 Chuong 4_P1

6/34

11


Ví duï 5.6:

Boä nghòch löu aùp moät pha maéc vaøo nguoàn moät chieàu U.Taûi R = 10, L =0,01H.Boä nghòch löu aùp ñöôïc ñieàu khieån theo phöông phaùp ñieàu bieân.a- Tính ñoä lôùn nguoàn U ñeå trò hieäu duïng aùp taûi U t = 100V.b- Vôùi aùp nguoàn xaùc ñònh ôû caâu a. Tính trò hieäu duïng haøi cô baûn của điện áp ngõ ra.c- Tính trò hieäu duïng doøng taûi .

12


Giaûi:

a/- Trò hieäu duïng aùp taûi: Utrms = U = 100VVaäy cần có aùp nguoàn U = 100V

b/ - Áp dụng phân tích Fourier cho aùp taûi ut, bieân ñoä cuûa soùng haøi baäc n cuûa aùp ra:4

n

U U

n , n = 1, 3, 5, 7…

Trò hieäu duïng soùng haøi cô baûn (n = 1) cuûa aùp taûi:

1

1

4.90,03[ ]

2 . 2t

U U U V

8/16/2019 Chuong 4_P1

7/34

13

Bộ nghịch lưu áp một phac/- Trò hieäu duïng doøng ñieän taûi coù theå tính theo heä thöùc:

2

0 t t dx .i

2

1I

Ñeå khoâng phaûi giaûi phöông trình xaùc ñònh doøng it, ta coù theå a ùp duïng coâng thöùc sau :

2

1

1 j

2 j t t i I

Vôùi

22

4

2t nt n

n

U U n I Z R n L

Ta thaáy baäc n cuûa soùng haøi baäc cao, trò hieäu duïng cuûa doøng ñieän töông öùng caøng thaáp.Do ñoù, ta coù theå tính it gaàn ñuùng thoâng qua vaøi haøi baäc thaáp. Ví duï choïn n = 1,3,5,...

Ut(k) Ut(1) [A] Ut(3) Ut(5) Ut(7) Ut(9) Ut(11)

[V] 87,828 29,27 17,56 12,54 9,75 7,98

It(n) It(1) [A] It(3) It(5) It(7) It(9) It(11)

[A] 8,37 2,13 0,94 0,51 0,325 0,22

Tính gần đúng It qua hài dòng bậc 1, 3, 5:

2 1

2 5 t

2 3 t

2 1t t I I I I 8,72 [A]

14


Ví d ụ 5.8:Cho bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu.Tải thuần tr ở R = 2,4 ; điện áp nguồn một chiều U= 48V.a. Tính tr ị hiệu dụng hài cơ bản của áp ra.

b. Tính công suất trung bình của tải.c. Tính tr ị trung bình và tr ị tức thờ i lớ n nhất của dịng điện qua transistor.d. Xác định điện áp khóa lớ n nhất đặt lên transistor.e. Tính hệ số méo dạng của áp ra.

8/16/2019 Chuong 4_P1

8/34

15


Giaûi:

a. ] V [ 2 ,43 2 .

48 .4

2 .

U 4 U )1( t

b. Coâng suaát trung bình cuûa taûi :

960 4 ,2

48

R

U

R

dx .u 2

1

R

U P

2 2 2

12

0

2 t 2

t t

[w]

c. Trò trung bình doøng qua transistor:

0

110[ ]

2 2TAV

U U I dx A

R R

Trò töùc thôøi lôùn nhaát cuûa doøng qua transistor: ] A[ 20

4 ,2

48

R

U i max T

16


d. Điện áp khóa lớ n nhất đặt lên transistor xảy ra khi transistor cùng nhánh dẫnví dụ khi S4 dẫn (UT4=0):uT1= U - uT4 = U = 48[V]

e. Hệ số méo dạng của áp ra:

)1( t

2

12

)1( t 2 t

)1( t

2

1

2 k

2 )K ( t

U U

U U

U

U

THD

vớ i Ut= 48 [V], Ut(1)= 43,2 [V]

Ta đượ c: 484 ,0 2 ,43

2 ,43 48 THD 2

1

2 2 U

8/16/2019 Chuong 4_P1

9/34

17

Bộ nghịch lưu áp ba pha Điều khiển kiểu sóng vuông (six-step inverter)

Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha Dạng xung điều khiển kiểu sóng vuông

18

Bộ nghịch lưu áp ba pha

Điều khiển kiểu sóng vuông (six-step inverter)

Dạng điện áp điều khiển và điện áp tại các ngõ ra(so với điểm N của nguồn dc ngõ vào)

8/16/2019 Chuong 4_P1

10/34

19


Dạng điện áp dây tại ngõ ra của bộ nghịch lưu

Lưu ý:

• u AB = u AN-uBN

• uBC = uBN-uCN

• uCA = uCN-u AN

20


= khi S được kích dẫn, mạch tương đương khóa bán dẫn cho phép dòngchạy qua theo cả 2 chiều.

Lưu ý:

• Khoảng I: S1/D1, S5/D5 và S6/D6 dẫn

• Khoảng II: S1/D1, S2/D2 và S6/D6 dẫn

• Khoảng III: S1/D1, S2/D2 và S3/D3 dẫn

• Khoảng IV: S2/D2, S3/D3 và S4/D4 dẫn

• Khoảng V: S3/D3, S4/D4 và S5/D5 dẫn

• Khoảng VI: S4/D4, S5/D5 và S6/D6 dẫn

Điều khiển kiểu sóng vuông (six-step inverter)Xét tr ường hợp tải đấu sao (Y)

8/16/2019 Chuong 4_P1

11/34

21


Xét tr ường hợp tải đấu sao (Y)

Khoảng I: S1, S5 và S6 được kíchu An = uCn = (1/3)U; uBn = (-2/3) U

Khoảng II: S1, S2 và S6 được kíchu An = (2/3) U; uBn= uCn = (-1/3)U

Khoảng III: S1, S2 và S3 được kíchu An = uBn = (1/3) U; uCn = (-2/3)U

Khoảng IV: S2, S3 và S4 được kíchu An = uCn = (-1/3) U; uBn = (2/3)U

Khoảng V: S3, S4 và S5 được kíchu An = (-2/3) U; uBn = uCn = (1/3)U

Khoảng VI: S4, S5 và S6 được kíchu An = uBn = (-1/3) U; uCn = (2/3)U

22


Điều khiển kiểu sóng vuông (six-step inverter)Xét tr ường hợp tải đấu sao (Y)

Dạng điện áp pha trên tải

8/16/2019 Chuong 4_P1

12/34

23


Phaân tích soùng haøi điện áp:

Phaân tích Fourier của điện áp pha (uAn = ut1, uBn = ut2, uCn = ut3):

1

1,3,5...

2

1,3,5...

3

1,3,5...

4( ) sin sin

33

4 2( ) sin sin ( )

3 33

4 2( ) sin sin ( )

3 33

t

n

t

n

t

n

U nu t n t

n

U nu t n t

n

U nu t n t

n

Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc lẻ (n = 1, 3, 5...) û.

Trị hiệu dụng của áp pha tải: ,2

3t rmsU U

Biên độ sóng hài bậc n của áp pha tải:

4

sin 33n

U n

U n

Vớ i n=1, biên độ hài cơ bản (hài bậc 1) của áp pha tải: 12

mU U

Tr ị hiệu dụng của hài bậc 1 của áp pha tải: 1,2

rmsU U


Xét tr ường hợp tải đấu sao (Y)

24


Điều khiển kiểu sóng vuông (six-step inverter)Xét tr ường hợp tải đấu tam giác (∆)

Dạng điện áp dây tại ngõ ra của bộ nghịch lưu(Cũng là điện áp pha trên tải)

8/16/2019 Chuong 4_P1

13/34

25


Xét tr ường hợp tải đấu tam giác (∆)

Phaân tích Fourier của điện áp trên mỗi pha của tải (uAB = ut1, uBC = ut2, uCA = ut3),đây cũng là điện áp dây tại ngõ ra của bộ nghịch lưu:

1

1,3,5...

2

1,3,5...

3

1,3,5...

4( ) sin sin

3 6

4( ) sin sin ( )

3 2

4 7( ) sin sin ( )

3 6

t

n

t

n

t

n

U nu t n t

n

U nu t n t

n

U nu t n t

n

Aùp taûi chæ chöùa caùc thaønh phaàn haøi baäc lẻ (n = 1, 3, 5...) û.

Trị hiệu dụng của áp pha tải (áp dây của bộ nghịch lưu): ,2

3t rmsU U

Biên độ sóng hài bậc n của áp pha tải (áp dây của bộ nghịch lưu): 4 sin3

n U nU n

Vớ i n=1, biên độ hài bậc 1 của áp pha tải (áp dây của bộ nghịch lưu): 12 3

mU U

Tr ị hiệu dụng hài bậc 1 của áp pha tải (áp dây của bộ nghịch lưu): 1,6

rmsU U

26


ULn /UULn: Tr ị hiệu dụng sóng hài bậc n trong điện áp dây (pha-pha)U: Điện áp nguồn DC

Bậc của sóng hài

Phổ tần sóng hài trong điện áp dây – điều khiển kiểu 6 bước


8/16/2019 Chuong 4_P1

14/34

27


Ví d ụ 5.9:

Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển kiểu 6 bướ c (six-step)Tải thuần tr ở ba pha đối xứng đấu thành dạng sao.Độ lớ n điện tr ở mỗi pha R = 10.Tần số làm việc của bộ nghịch lưu áp f= 50Hz.Điện áp nguồn một chiều U = 220V.a. Xác định tr ị hiệu dụng điện áp ra ;

b. Viết phươ ng 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 tr ị trung bình dòng điện qua transistor .


28


Giaûi:

a. Tr ị hiệu dụng áp pha:

] V [ 7 ,103 220 .3

2 U .

3

2 U t

b. Bieân ñoä soùng haøi baäc moät cuûa aùp:

(1)

4. 4 3sin . . 0, 6366. 0, 6366.220 140[ ]

3 23. 3t m

U U U U V

Phöông trình soùng haøi baäc moät cuûa aùp taûi - pha AuAt(1) = 140.sin(314t)Phöông trình soùng haøi baäc moät cuûa doøng taûi- pha A

t 314 sin .14 t 314 sin R

140 i )1( At


8/16/2019 Chuong 4_P1

15/34

29


c. Vì taûi thuaàn trôû neân coâng suaát taûi cho bôûi heä thöùc :

] W [ 1,3226 10

7 ,103 .3

R

U .3 P

2 2 t

t

d. Heä soá méo daïng cuûa aùp ra:

312 ,0

2

140

2

140 7 ,103

U

U U THD

2

12

2

)1( t

2

12

)1( t 2 t

U

e. Trò trung bình doøng ñieän ngoõ vaøo boä nghòch löu :

] A[ 664 ,14 220

1,3226

U

P I t C

Caùc diode ñoái song vôùi transistor khoâng daãn ñieän.Moãi transistor daãn ñieän trong 1/3 chu kyø vôùi trò trung bình doøng ñieän qua noù baèng :

][,,

A I

I C TAV 88843

66414

3


30

Bộ nghịch lưu 1 pha điều khiển kiểu PWM

Bộ nghịch lưu 1 pha kiểu bán cầu

Nghịch lư u một pha kiểu bán cầu (Half bridge inverter)

Xét mạch nghịch lưu một pha kiểu bán cầu như hình.

Giả thiết hai tụ lọc C đủ lớ n để điện áp trên mỗi tụ là U/2 đượ c giữ không đổi trong quá trình bộ nghịch lưu hoạt động.

Việc điều khiển các khoá bán dẫn S1 và S4 thực hiện bằng cách so sánh giữa sóng đ iề u khiể n (hoặc tín hiệu điều chế - modulating signal) ucontrol dạng sin và sóng mang (carrier signal) utri dạng tam giác:

c ont ro l tr iu u S1 ON1

2 Aou U

c ont ro l tr iu u S4 ON 12 Aou U

8/16/2019 Chuong 4_P1

16/34

31

Bộ nghịch lưu 1 pha điều khiển kiểu PWMBộ nghịch lưu 1 pha kiểu bán cầu

32


Tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) ma đượ c định ngh ĩ a là :

ˆ

ˆcontrol

a

tri

U m

U

Trong đó:

ˆcontrol

U : biên độ sóng điều khiển ucontrol

ˆtri

U : biên độ sóng mang utri

Tỉ số điều chế tần số (Frequency modulation ratio) mf đượ c định ngh ĩ a là:

1

s f

f m

Trong đó:

s: tần số sóng mang utri hoặc còn gọi là t ần số đ óng cắ t (switching frequency)

1: tần số sóng điều khiển ucontrol


8/16/2019 Chuong 4_P1

17/34

33


Vớ i cách đóng ngắt các khoá bán dẫn như đề cậ p ở trên, dạng sóng điện áp ngõ ra u Ao thay đổi

giữa 2 giá tr ị:1

2U và

1

2U .

Xét trong một chu k ỳ T s (T s = 1/f s ) của sóng mang, nếu sóng điều khiển ucontrol biến thiên chậmhơ n nhiều so vớ i sóng mang utri thì có thể xem ucontrol là không đổi trong khoảng thờ i gian này.

Như vậy, giá tr ị trung bình của điện áp ngõ ra U Ao trong một chu k ỳ T s sẽ là:

ˆ( )ˆ 2

control Ao control tri

tri

u U U u U

U

34



Từ đây, nếu chọn sóng điều khiển có dạng:

ˆ ˆ ˆsin ( )control control control tri

u U t U U

Thì có thể suy ra thành phần hài cơ bản (bậc 1) 1( ) Aou của điện áp ngõ ra Aou sẽ có biểu thức là:

1

ˆ ˆsin( ) sin ( 1)

ˆ ˆ2 2control control

Ao a a

tri tri

U t U U U u m t m

U U

Như vậy, biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra Aou xác định bở i:

1

ˆ2

Ao a

U U m

Tần số của hài cơ bản của điện áp ngõ ra Aou = tần số sóng điều khiển ucontrol .Vớ i phươ ng pháp điều r ộng xung sin (sinusoidal PWM), biên độ và t ần số của hài cơ bản củađ i ện áp ngõ ra có thể đượ c đ i ều khi ể n qua biên độ và t ần số của sóng đ i ều khi ể n ucontrol.. Ngoài ra, khi 1am , biên độ hài cơ bản của đ iện áp ngõ ra t ỉ l ệ tuyế n tính vớ i ma.

8/16/2019 Chuong 4_P1

18/34

35


Sóng hài:

Gọi f 1 là tần số của sóng điều khiển ucontrol . Đây cũng là tần số của hài cơ bản của u Ao.

Vớ i 1am , có thể chứng minh đượ c các hài bậc cao trong điện áp u Ao xuất hiện quanh các tần số

1 f m f , 12 f m f , 13 f m f , v.v…Ngoài ra, vớ i 9 f m , biên độ sóng hài hầu như không phụ thuộc

vào tỉ số điều chế tần số m f mà chỉ phụ thuộc vào tỉ số điều chế biên độ ma.

Một cách tổng quát, sóng hài xuất hiện ở các tần số:

1( )h f jm k f

Ngh ĩ a là vớ i tỉ số điều chế tần số m f đã biết, bậc của sóng hài h tính bở i công thức:

f h jm k

Trong đó, nếu j là số lẻ thì k là số chẵn và ngượ c lại. Ví dụ, nếu j = 1 thì k =2, 4, v.v…, vànếu j = 2 thì k =1, 3, v.v…


36



Bảng 4.1: Bộ nghịch lư u kiểu bán cầu

Biên độ một số giá tr ị sóng hài (tính bằ ng 1ˆ2

Aoh

U U ) theo ma (giả thiế t là 9 f m ):

ma

h0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hài cơ bản(bậc 1)

0.2 0.4 0.6 0.8 1

f m 1.242 1.15 1.006 0.818 0.601

2 f m 0.016 0.061 0.131 0.220 0.318

4 f m 0.018

2 1 f m 0.190 0.326 0.370 0.314 0.1812 3 f m 0.024 0.071 0.139 0.212

2 5 f m 0.013 0.033

Trong đó: ˆ Aoh

U là biên độ sóng hài bậc h trong điện áp u Ao.

8/16/2019 Chuong 4_P1

19/34

37


Bảng 4.1: Bộ nghịch lư u kiểu bán cầu (t-t)

Biên độ một số giá tr ị sóng hài (tính bằ ng 1ˆ2

Aoh

U U ) theo ma (giả thiế t là 9 f m ):

ma

h0.2 0.4 0.6 0.8 1

3 f m 0.335 0.123 0.083 0.171 0.113

3 2 f m 0.044 0.139 0.203 0.176 0.062

3 4 f m 0.012 0.047 0.104 0.157

3 6 f m 0.016 0.044

4 1 f m 0.163 0.157 0.008 0.105 0.068

4 3 f m 0.012 0.070 0.132 0.115 0.009

4 5 f m 0.034 0.084 0.119

4 7 f m 0.017 0.050

Trong đó: ˆ Aoh

U là biên độ sóng hài bậc h trong điện áp u Ao.

38


Phổ tần sóng hài của điện áp ra mạch nghịch lưu 1 nhánh cơ bản

Tăng mf tăng giá tr ị tần số các sóng hài dễ lọc các sóng hài hơ n.Điểm bất lợ i của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớ n.


8/16/2019 Chuong 4_P1

20/34

39


Ví dụ: Xét mạch nghịch lưu như hình. Biết U = 300V, ma = 0.8, mf = 39,tần số sóng điều khiển là f 1= 50Hz. Tính giá tr ị hiệu dụng hài cơ bản

và các sóng hài chính trong điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu.

40



Giải:

Từ bảng đã cho, suy ra cách tính giá tr ị hiệu dụng của sóng hài bậc h là:

ˆ ˆ ˆ1 1 300

106.072 / 2 2 / 2 / 22 2

Ao Ao Aoh h h

Ao h

U U U U U

U U U

Tra bảng, ta tính đượ c tr ị hiệu dụng một số sóng hài là:

1

106.7 0.8 84.86 Ao

U V tại 50Hz

37

106.7 0.22 23.33 AoU V tại 1850Hz

39 106.7 0.818 86.76 AoU V tại 1950Hz

41 106.7 0.22 23.33 AoU V tại 2050Hz

77

106.7 0.314 33.31 Ao

U V tại 3850Hz

79

106.7 0.314 33.31 Ao

U V tại 3950Hz

8/16/2019 Chuong 4_P1

21/34

41


Một số lư u ý khác:- f m nên chọn là số lẻ chỉ tồn tại các sóng hài bậc lẻ trong điện áp ngõ ra

- Vớ i 21 f m , cần thiết phải đồng bộ giữa sóng điều khiển ucontrol và sóng mang utri , ngh ĩ a là

tần số sóng mang f s phải là bội số nguyên của tần số sóng điều khiển f 1 để tránh xuất hiện cácsóng hài tần số thấ p (subharmonics) không có lợ i trong hầu hết các ứng dụng. Ví dụ, nếu f 1 =20.5Hz và m f = 15, tần số của sóng điều chế cần thiết là 20.5 15 307.5 s Hz

- Vớ i giá tr ị m f lớ n ( 21 f m ), giá tr ị các hoạ tần bậc thấ p không đáng k ể, nên có thể không

cần đồng bộ giữa sóng điều khiển ucontrol và sóng mang utri. Tuy nhiên, trong những ứngdụng điều khiển động cơ xoay chiều, sóng hài tần số r ất thấ p (gần zero) có thể gây ra dònglớ n ngay cả khi có biên độ r ất nhỏ. Vì vậy, nên tránh đ iề u chế không đồng bộ giữa sóng điềukhiển và sóng mang.

42



V ấ n đề quá đ i ều chế (Overmodulation):

Quá điều chế xảy ra khi 1a

m , lúc này quan hệ giữa ma và biên độ sóng hài bậc 1 của điện áp

ngõ ra bộ nghịch lưu sẽ không còn tuyến tính nữa, và sẽ xuất hiện các sóng hài bậc thấ p: 3, 5, 7v.v…

Tùy theo giá tr ị của ma, biên độ sóng hài bậc 1 của áp ra nghịch lưu biến thiên trong khoảng:

1

4 2ˆ2 2

Ao

U U U U

1

am

8/16/2019 Chuong 4_P1

22/34

43


Quan hệ giữa hài bậc 1 điện áp ngõ ra vàtỉ số điều chế biên độ ma


V ấ n đề quá đ i ều chế (Overmodulation)

Dạng sóng trong tr ường hợp quá điều chế

44


Phổ tần sóng hài của điện áp ngõ ra trong tr ường hợp quá điều chế


8/16/2019 Chuong 4_P1

23/34

45

Bộ nghịch lưu 1 pha điều khiển kiểu PWMMạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu

Bộ nghịch lưu một pha kiểu cầu có sơ đồ như hình.

Nếu gọi điểm o là điểm giữa của nguồn một chiều U (điểm này có thể không tồn tại thực tế, chỉ sử dụng cho việc phân tích mạch), có thể xem là bộ nghịch lưu cầu đượ c tạo bở i hai bộ nghịchlưu kiểu bán cầu vớ i điện áp ngõ ra lần lượ t là u Ao và u Bo.

Điện áp ngõ ra uo của bộ nghịch lưu:

o Ao Bou u u

46


Mạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu

Có hai cách điều chế cho bộ nghịch lưu một pha kiểu cầu:

- PWM vớ i điện áp đóng ngắt lưỡ ng cực (Bipolar Voltage Switching)

- PWM vớ i điện áp đóng ngắt đơ n cực (Unipolar Voltage Switching)

8/16/2019 Chuong 4_P1

24/34

47

Bộ nghịch lưu 1 pha điều khiển kiểu PWMMạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu – PWM với điện áp đóng ngắt lưỡng cực

Vớ i kiểu điều chế này, một sóng điều khiển ucontrol đượ c sử dụng để so sánh vớ i sóng mang utri,Các khoá bán dẫn đượ c đóng ngắt theo từng cặ p: (S1, S2) và (S3, S4), và ngượ c pha nhau:

1, 2 3, 4c on tr ol t riu u S S ON S S OFF

1, 2 3, 4c on tr ol tr iu u S S OFF S S ON

Do đó:

Ao Bou u


2o Ao Bo Aou u u u

Như vậy, có th áp dụng các phân tích nêu trong ph n mạch nghịch lưu kiểu bán cầu để phântích dạng sóng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cầu. Theo biểu thức trên, điện áp hài bậc 1 và cáchài bậc cao hơ n trong tr ườ ng hợ p này sẽ có giá tr ị gấ p đôi so vớ i k ết quả đã nêu trong phần

mạch nghịch lưu kiểu bán cầu: 1

1

ˆ ˆ2o Ao aU U m U ( 1)am

48


Mạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu – PWM với điện áp đóng ngắt lưỡng cực

8/16/2019 Chuong 4_P1

25/34

49


Phổ tần sóng hài của điện áp ngõ ra

50



Biên độ hài bậc 1 trong vùng điều chế tuyến tính ( 1)am :

1ˆ

o aU m U

Biên độ hài bậc 1 trong vùng quá điều chế ( 1)am

1

4ˆoU U U

Điện áp ngõ ra uo thay đổi giữa hai mức +U và -U. Đây là lý do khiến tên gọi của phươ ng phápđiều khiển là điều chế PWM vớ i điện áp đóng ngắt lưỡ ng cực.

8/16/2019 Chuong 4_P1

26/34

51


Ví dụ: Xét mạch nghịch lưu cầu như hình, điều khiển theo phươ ng phápPWM vớ i điện áp đóng ngắt lưỡ ng cực. Biết Ud = 300V, ma = 0.8, mf = 39,

tần số sóng điều khiển là 50Hz. Tính giá tr ị hiệu dụng hài cơ bản vàcác sóng hài chính trong điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu.

52



Giải:

Từ phân tích ở trên, biên độ của sóng hài bậc h có gấ p đôi giá tr ị cho trong bảng ở phần tr ướ c. Suy ra, tr ị hiệu dụng hài bậc hcó thể tính theo công thức:

ˆ ˆ ˆ1 1 300

2 2 212.142 / 2 2 / 2 / 22 2

Ao Ao Aod h h h

Ao hd d d

U U U U U

U U U

Tra bảng, ta tính đượ c tr ị hiệu dụng sóng hài cơ bản và một số sóng hài chính là:

1

212.14 0.8 169.7 AoU V tại 50Hz

37

212.14 0.22 46.67 AoU V tại 1850Hz

39

212.14 0.818 173.52 AoU V tại 1950Hz

41

212.14 0.22 46.67 AoU V tại 2050Hz

77

212.14 0.314 66.62 AoU V tại 3850Hz

79

212.14 0.314 66.62 AoU V tại 3950Hz

8/16/2019 Chuong 4_P1

27/34

53

Bộ nghịch lưu 1 pha điều khiển kiểu PWMMạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu – PWM với điện áp đóng ngắt đơn cực

Vớ i phươ ng pháp điều chế này, hai nhánh cầu của bộ nghịch lưu sẽ đượ c điều khiển riêng biệt. Nhánh A sẽ đượ c đóng cắt bằng cách so sánh điện áp điều khiển ucontrol vớ i sóng mang utri, vànhánh B sẽ đượ c đóng cắt bằng cách so sánh điện áp điều khiển -ucontrol vớ i sóng mang utri:

1 4

1 4

c ont rol t ri

c ont rol t ri

u u S ON S OFF

u u S OFF S ON

Tươ ng tự:

3 2

3 2

c ont rol t ri

c on tro l t ri

u u S ON S OFF

u u S OFF S ON

Dạng sóng điện áp ngõ ra như hình.


o Ao Bo

u u u

Điện áp ngõ ra uo đóng ngắt quanh giá tr ị U và 0 hoặc –U và 0, k ết quả là tần só đóng ngắt củađiện áp ra uo có thể xem là gấp đôi tần số đóng ngắt của mỗi nhánh cầu.

54


Mạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu – PWM với điện áp đóng ngắt đơn cực

Lưu ý: để đơn giản, trên hình chỉ vẽ dạng sóng điều khiển S1, S3.

Dạng sóng điều khiển S4 lànghịch đảo của dạng sóng S1, vàdạng sóng S2 là nghịch đảo củaS3.

8/16/2019 Chuong 4_P1

28/34

55


Nếu ta chọn tỉ số điều chế tần số m f là số chẵn, bậc h của sóng hài tại lân cận tần số m f và bội số lẻ của m f sẽ là số chẵn vì:

f h jm k (j lẻ và k chẵn h chẵn)

Do sóng điều khiển cho nhánh A và nhánh B ngượ c pha nhau nên vớ i hài bậc h, ta có:

1ˆ sin( ) Ao hhu U h t

1ˆ sin ( ) Bo hhu U h t

Khi h là số chẵn, các sóng hài bậc h trong điện áp u Ao và u Bo sẽ đồng pha vớ i nhau. Do đó, trongđiện áp ngõ ra o Ao Bou u u , các sóng hài này sẽ triệt tiêu nhau.

Như vậy, khi chọn m f là số chẵn các sóng hài lân cận tần số mf và bội số lẻ của mf sẽ triệt tiêu,

và sóng hài sẽ chỉ xuất hiện ở lân cận các tần số 2f s, 4f s , v.v…

56



Lưu ý là điện áp ngõ ra uo đóng ngắt quanh giá tr ị Ud và 0 hoặc –Ud và 0, k ết quả là tần só đóngngắt của điện áp ra uo có thể xem là gấ p đôi tần số đóng ngắt của mỗi nhánh cầu.

Nếu ta chọn tỉ số điều chế tần số mf là số chẵn, các sóng hài tại lân cận tần số m f và bội số lẻ của m f sẽ đồng pha vớ i nhau, vì:

f h jm k (j lẻ và k chẵn h chẵn) ( 180 0o o

AN BN h ).

Do đó, các trong điện áp ngõ rao AN BN

u u u , các sóng hài tại lân cận tần số mf và bội số lẻ

của mf sẽ triệt tiêu, như vậy sóng hài sẽ chỉ xuất hiện ở lân cận các tần số 2f s, 4f s v.v…

8/16/2019 Chuong 4_P1

29/34

57


Phổ tần sóng hài của điện áp ngõ ra

58



Do sóng điều khiển cho nhánh A và nhánh B ngượ c pha nhau nên vớ i hài bậc 1 ở ngõ ra, ta có:

1 1 Ao Bo

u u

Và:

1 1 1 12o Ao Bo Aou u u u

Do đó, biên độ hài bậc 1 trong vùng điều chế tuyến tính ( 1)a

m :

1ˆ

o aU m U

Biên độ hài bậc 1 trong vùng quá điều chế ( 1)am

1

4ˆo

U U U

Lưu ý là vớ i phươ ng pháp điều chế lưỡ ng cực đề cậ p ở trên, vớ i cùng một giá tr ị của ma, phươ ng pháp điều chế đơ n cực cho cùng một giá tr ị của hài bậc 1, nhưng các sóng hài có tần số cao gấ pđôi so vớ i phươ ng pháp điều chế lưỡ ng cực đề cậ p ở trên Dễ dàng lọc các sóng hài này.

8/16/2019 Chuong 4_P1

30/34

59


Ví dụ: Xét mạch nghịch lưu cầu như hình, điều khiển theo phươ ng pháp

PWM vớ i điện áp đóng ngắt đơ n cực. Biết U = 300V, ma = 0.8, mf = 38,

tần số sóng điều khiển là 50Hz. Tính giá tr ị hiệu dụng hài cơ bản

và các sóng hài chính trong điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu.

60



Giải:

Biểu thức tính tr ị hiệu dụng các sóng hài của điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có thể suy ra từ bảng4.2 như sau:

ˆ ˆ ˆ1 1

300 212.142 2

o o oh h h

o h

U U U U U

U U U

Ngoài ra, do mf chẵn (m f = 38), sóng hài chỉ xuất hiện tại lân cận 2m f , 4m f như phân tích ở trên.Từ đó, ta tính đượ c tr ị hiệu dụng hài cơ bản và một số sóng hài chính là:

Tại h = 1: 1

212.14 0.8 169.7oU V (50 Hz)

Tại h = 2mf -1 = 75: 75 212.14 0.314 66.62oU V (3750 Hz)

Tại h = 2mf +1 = 77: 77 212.14 0.314 66.62oU V (3850 Hz)

8/16/2019 Chuong 4_P1

31/34

61

Bộ nghịch lưu 3 pha điều khiển kiểu PWMMạch nghịch lưu 3 pha

Cấu hình bộ nghịch lưu áp ba pha thườ ng gặ p như hình, trong đó điểm o là điểm giữa của nguồnmột chiều U có thể không tồn tại thực tế và chỉ sử dụng cho việc phân tích mạch.

Có thể xem bộ nghịch lưu này bao gồm 3 nhánh nghịch lưu cơ bản đã khảo sát ở phần trên.

62


Để ngõ ra là 3 pha cân bằng, 3 sóng điều khiển ucontrol,A , ucontrol,B và ucontrol,C đượ c so sánh vớ icùng một sóng điều chế utri để tạo ra xung kích tươ ng ứng cho từng nhánh nghịch lưu A, B và Ctươ ng ứng. Trong tr ườ ng hợ p các sóng điều khiển có dạng sine, kiểu điều chế này gọi là sine-PWM.

Vớ i nhánh A:

,

,

1 4

1 4

c on tr ol A t ri

c on tr ol A tr i

u u S ON S OFF

u u S OFF S ON

Tươ ng tự vớ i các nhánh còn lại.

Điện áp ra của mỗi nhánh cầu, do đó, chỉ phụ thuộc vào sóng điều khiển tươ ng ứng cho nhánhđó mà không phụ thuộc vào các nhánh còn lại.

8/16/2019 Chuong 4_P1

32/34

63


Dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha điều khiển kiểu PWM

64

Bộ ngh

ịch l

ưu 3 pha

điều khi

ển ki

ểu PWM

Trong hầu hết các ứng dụng của nghịch lưu áp 3 pha, tải của bộ nghịch lưu là loại 3 pha / 3 dây,do đó, chỉ có điện áp dây và sóng hài trong điện áp dây (line-to-line voltages) là cần tính đến.

Xét điện áp dây ngõ ra của bộ nghịch lưu, ví dụ u AB, ta có

AB Ao Bou u u

Lưu ý là do sóng điều khiển ucontrol của 3 pha lệch nhau 120o, sóng hài bậc h trong u Ao và u Bo sẽ

lệch nhau một góc: (120 h)o. Do đó, nếu chọn m f là số lẻ và là bội của 3, các sóng hài bậc m f và bội của m f sẽ trùng pha nhau và sẽ triệt tiêu trong điện áp dây ở ngõ ra.

Phổ sóng hài của điện áp dây ngõ ra cầu nghịch lưu 3 pha

8/16/2019 Chuong 4_P1

33/34

65


Vớ i ma < 1: Hài bậc 1 (hài cơ bản):

Biên độ hài bậc 1 ngõ ra một nhánh cầu nghịch lưu:

1

ˆ2

Ao a

U U m

Biên độ hài bậc 1 của điện áp dây ngõ ra bộ nghịch lưu:

1

3ˆ ˆ32

LL Ao aU U m U

Tr ị hiệu dụng hài bậc 1 của điện áp dây ngõ ra bộ nghịch lưu:

,1

3 3ˆ 0.6122 2 2

LL rms Ao a aU U m U m U ( 1)

am

66


Vớ i ma < 1 (t-t):

Các sóng hài khác:

Bảng 4.3: Biên độ một số giá tr ị sóng hài của áp dây U LL (tính bằ ng ( ) LL hU U )

vớ i các giá tr ị khác nhau của ma (giả thiế t là m f có giá tr ị l ớ n và là bội của 3):

ma

h0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hài cơ bản(bậc 1)

0.122 0.245 0.367 0.49 0.612

2 f m 0.010 0.037 0.080 0.135 0.195

4 f m 0.005 0.011

2 1 f m 0.116 0.200 0.227 0.192 0.111

2 5 f m 0.008 0.020

3 2 f m 0.027 0.085 0.124 0.108 0.038

3 4 f m 0.007 0.029 0.064 0.096

4 1 f m 0.100 0.096 0.005 0.064 0.042

4 5 f

m 0.021 0.051 0.073

4 7 f m 0.010 0.030

8/16/2019 Chuong 4_P1

34/34

67


Với ma > 1Vớ i ma >1:

Bộ nghịch lưu làm việc trong vùng quá điều chế.

Vớ i giá tr ị ma đủ lớ n, có thể xem như bộ nghịch lưu đượ c điều chế theo kiểu sóng vuông (bộ nghịch lưu kiểu 6 bướ c). Như đã nêu trong phần tr ướ c, vớ i bộ nghịch lưu kiểu 6 bướ c, tr ị hiệudụng hài bậc 1 của điện áp dây ngõ ra bộ nghịch lưu:

1,

60.78

LL rmsU U U

Vậy, tr ị hiệu dụng hài bậc 1 của điện áp dây ngõ ra bộ nghịch lưu khi biến thiên trong khoảng

,0.612 0.78 LL rmsU U U ( 1)am

68

Bộ nghịch lưu 3 pha điều khiển kiểu PWMQuan hệ giữa hài bậc 1 của áp dây và tỉ số điều chế ma

chuong 4_p1

Documents