Giáo trình biến tần - Chương 3: Tổng quan về các loại biến tần

Ch−¬ng III TæNG QUAN VÒ C¸C LO¹I BIÕN TÇN Bé biÕn ®æi tÇn sè hay cßn gäi lμ c¸c bé biÕn tÇn lμ thiÕt bÞ biÕn ®æi dßng ®iÖn xoay chiÒu ë tÇn sè nμy thμnh dßng ®iÖn xoay chiÒu cã tÇn sè kh¸c mμ cã thÓ thay ®æi ®−îc. §èi víi c¸c bé biÕn tÇn dïng cho viÖc ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ xoay chiÒu th× ngoμi viÖc thay ®æi tÇn sè cña chóng cßn cã thÓ thay ®æi c¶ ®iÖn ¸p ra kh¸c víi ®iÖn ¸p l−íi cÊp vμo bé biÕn tÇn. I. PH¢N LO¹I BIÕN TÇN : Bé biÕn tÇn ®−îc chia lμm hai nhãm: + BiÕn tÇn m¸y ®iÖn. + BiÕn tÇn van. 1. BiÕn tÇn m¸y ®iÖn: Nguyªn lý chung cña lo¹i biÕn tÇn nμy lμ dïng m¸y ®iÖn xoay chiÒu lμm nguån ®iÖn cã tÇn sè biÕn ®æi. 1 0 20 ffr ω ωω ±= ω2 = Var f1= const ~ ÂF F  ~ f1= const BTK ÂK1 U1 CKF CK f1 = Var Hçnh 3.1. Så âäö nguyãn lyï bäü biãún táön maïy âiãûn DÊu (+) øng víi tr−êng hîp r«to BTK quay ng−îc chiÒu tõ tr−êng. Lóc nμy fr > f1. DÊu (-) øng víi tr−êng hîp r«to BTK quay cïng chiÒu tõ tr−êng. Lóc nμy fr < f1. Khi r«to ®øng yªn th× fr = f1. Trang 25 Nhê thay ®æi tèc ®é ω2 ta cã thÓ thay ®æi tÇn sè ra. ViÖc sö dông còng nh− ®iÒu khiÓn lo¹i nμy rÊt phøc t¹p v× ph¶i sö dông nhiÒu m¸y ®iÖn, diÖn tÝch l¾p ®Æt lín, hiÖu suÊt lμm viÖc thÊp, g©y ån, nÒn mãng ph¶i kiªn cè nªn gi¸ thμnh cao. 2. BiÕn tÇn van: Nguyªn lý lμm viÖc cña biÕn tÇn van lμ dïng c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®Ó ®ãng më c¸c van ( ë ®©y th−êng lμ tiristor hay transisto ) biÕn ®æi n¨ng l−îng ®iÖn xoay chiÒu ë tÇn sè nμy thμnh n¨ng l−îng ®iÖn xoay chiÒu cã tÇn sè kh¸c. BiÕn tÇn van ®−îc chia lμm 2 lo¹i : + BiÕn tÇn trùc tiÕp. + BiÕn tÇn gi¸n tiÕp. BiÕn tÇn van ®−îc øng dông réng r·i v× cã nhiÒu −u ®iÓm nh−: kÝch th−íc nhá nhÑ, kh«ng g©y ån, hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, hiÖu suÊt cao. II. GIíI THIÖU VÒ BIÕN TÇN VAN : 1. BiÕn tÇn trùc tiÕp: ThiÕt bÞ biÕn tÇn trùc tiÕp lμ lo¹i biÕn tÇn cã tÇn sè vμo f1 ®−îc biÕn ®æi thμnh tÇn sè f2 mét c¸ch trùc tiÕp kh«ng ph¶i qua kh©u trung gian f2 = (0 ÷0,5)f1, th−êng dïng cho truyÒn ®éng cã c«ng suÊt lín, tèc ®é lμm viÖc thÊp. §Ó ®¬n gi¶n tr−íc hÕt ta ph©n tÝch s¬ ®å m¹ch lùc cña biÕn tÇn mét pha: P N L cb L cb Zt Maûch van U~ U~ f1 f Hçnh 3.2. Så âäö khäúi vaì så âäö nguyãn lyï maûch læûc bäü biãún táön van Trang 26 C¸c nhãm van P, N cã thÓ ®−îc ®iÒu khiÓn riªng hoÆc chung. Khi ®iÒu khiÓn riªng th× kh«ng cÇn cuén kh¸ng c©n b»ng. Khi ®iÒu khiÓn chung th× cuén kh¸ng c©n b»ng dïng ®Ó h¹n chÕ dßng ®iÖn c©n b»ng xuÊt hiÖn do sù chªnh lÖch ®iÖn ¸p tøc thêi lóc ®ãng nhãm nμy më nhãm kia mμ qu¸ tr×nh qu¸ ®é kh«ng x¶y ra tøc thêi. Nhãm van P t¹o nöa chu kú d−¬ng cña ®iÖn ¸p t¶i, nhãm van N t¹o nöa chu kú ©m cña ®iÖn ¸p t¶i. Trong m¹ch ®iÒu khiÓn, ng−êi ta sö dông dÊu cña dßng ®iÖn t¶i ®Ó quyÕt ®Þnh nhãm van nμo ph¶i lμm viÖc. Khi mét nhãm van ®· ®−îc chØ ®Þnh lμm viÖc th× nã lμm viÖc ë chÕ ®é chØnh l−u vμ chÕ ®é nghÞch l−u phô thuéc. Nhoïm NNhoïm P U I t0 t1 t2 t3 t4 t U,I CL CL NL Hçnh 3.3. Caïc giai âoaûn laìm viãûc cuïa caïc nhoïm van bäü biãún táön træûc Thêi ®iÓm ph¸t xung më cho c¸c Thyristor trong mçi nhãm ph¶i cã ph©n bè sao cho ®iÖn ¸p trªn t¶i lμ phÇn h×nh sin nhÊt vμ gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p ®Çu ra lu«n t−¬ng thÝch víi gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p mong muèn (U=Umsinω2t ). §Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu ta dïng bé biÕn tÇn ba pha gåm ba bé biÕn ®æi song song ng−îc. Trang 27 S¬ ®å biÕn tÇn trùc tiÕp cã −u ®iÓm lμ hiÖu suÊt cao kh«ng dïng tô chuyÓn m¹ch. Nh−îc ®iÓm cña s¬ ®å lμ gam tÇn sè hÑp f2 < 20Hz, ph¶i dïng nhiÒu Thyristor vμ nh¹y c¶m víi biÕn ®éng cña l−íi ®iÖn. Z a Zb Zc Hçnh 3.4. Så âäö nguyãn lyï maûch læûc bäü biãún táön træûc tiãúp ba pha cho âäüng cå âiãûn xoay chiãöu ba pha 2. BiÕn tÇn gi¸n tiÕp: S¬ ®å cÊu tróc cña m¹ch: f1 f1 ~ ,u1 = = f2 ,u2 ~ f2 Chènh Nghëch Loü H×nh 3.5 : S¬ ®å cÊu tróc cña bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp Trong biÕn tÇn nμy ®iÖn ¸p xoay chiÒu ®Çu tiªn ®−îc chuyÓn thμnh mét chiÒu nhê m¹ch chØnh l−u, qua bé läc råi míi biÕn trë l¹i ®iÖn ¸p xoay chiÒu víi tÇn sè f2. §iÖn ¸p ®Çu ra ®−îc ®iÒu chØnh nhê sù thay ®æi gãc th«ng cña c¸c van trong nhãm chØnh l−u hoÆc ®iÒu chÕ ®é réng xung. ViÖc ph¶i biÕn ®æi n¨ng l−îng hai lÇn lμm gi¶m hiÖu suÊt biÕn tÇn song bï l¹i lo¹i biÕn tÇn nμy cho phÐp thay ®æi dÔ dμng tÇn sè f2 kh«ng phô thuéc f1 mμ nã chØ phô thuéc m¹ch ®iÒu khiÓn. Bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp nh− ®· nªu ë trªn cã s¬ ®å chøc n¨ng nh− h×nh sau : læu læuc Trang 28~ uB1B,f B1B F ~ u B2B,f B2B Chènh læu Loü c Nghëch læu ÂK H×nh 3.6 : S¬ ®å chøc n¨ng bé biÕn tÇn gi¸n tiÕp. Tïy theo tÝnh chÊt cña bé chØnh l−u vμ d¹ng tÝn hiÖu ®Çu ra mμ bé biÕn tÇn ®éc lËp l¹i ®−îc chia ra lμm 2 lo¹i : *Bé biÕn tÇn nguån ¸p (hay lμ bé nghÞch l−u nguån ¸p) *Bé biÕn tÇn nguån dßng (hay lμ bé nghÞch l−u nguån dßng ) III. C¸C PH¦¥NG PH¸P BIÕN TÇN GI¸N TIÕP : A. Bé NGHÞCH L¦U DßNG : 1. Bé nghÞch l−u dßng mét pha: Bé nghÞch l−u nguån dßng th−êng dïng cho c¸c hÖ thèng c«ng suÊt lín, trong ®ã c¸c van b¸n dÉn ®iÒu khiÓn hoμn toμn khi t¶i mang tÝnh c¶m kh¸ng th× cÇn c¸c Diod t¹o thμnh cÇu ng−îc ®Ó cho dßng ®iÖn ph¶n kh¸ng ®i qua khi dÊu cña dßng t¶i ng−îc víi ®iÖn ¸p cuén d©y Ld cã ®iÖn c¶m lín ®Ó san b»ng Ld id D1 D4 T1 T4 T2 T3 D2 D3 + - ωt i I Trang 29 H×nh 3.7. S¬ ®å nguyªn lý m¹ch nghÞch l−u dßng mét pha vμ d¹ng dßng t¶i dßng chØnh l−u vμ läc c¸c thμnh phÇn sãng hμi bËc cao. Ho¹t ®éng s¬ ®å: Gi¶ sö T2 vμ T4 ®ang dÉn dßng ch¶y tõ B sang A. T¹i t = 0 cho më T1 vμ T3 th× T2 vμ T4 bÞ khãa bëi thiÕt bÞ chuyÓn m¹ch. V× dßng kh g thÓ thay ®æi ®ét ngét nªn dßng vÉn ch¶y theo chiÒu cò. D L «n 1 vμ D3 dÉn, T1 vμ T3 vÉn bÞ khãa. Tõ t1÷t2 th× T1 vμ T3 dÉn nÕu cßn xung ®iÒu khiÓn. Tõ t2÷t4 cho xung më T2 vμ T4, T1, T3 bÞ khãa nh−ng tõ t2÷t3 th× D2, D4 dÉn cßn t3÷t4 th× T2, T4 míi dÉn dßng ®iÖn ¸p ra trªn t¶i cã d¹ng sin ch÷ nhËt "Sinus" nã lμ hμm lÎ chu kú... 2. Bé nghÞch l−u dßng ba pha: Khèi nghÞch l−u dßng dïng ®Ó biÕn ®æi dßng ®iÖn mét chiÒu sau bé läc thμnh dßng ®iÖn xoay chiÒu ®Ó cung cÊp cho ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha . Trong c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn ®iÒu chØnh th× nghÞch l−u dßng th−êng dïng cho c¸c hÖ thèng c«ng suÊt lín vμ cã s¬ ®å cÇu ba pha, trong ®ã c¸c van b¸n dÉn lμ c¸c van ®iÒu khiÓn hoμn toμn . ë ®©y ta dïng c¸c tiristor . Nguån ®iÖn mét chiÒu Ud th«ng qua cuén d©y cã ®iÖn c¶m lín cung cÊp cho cÇu biÕn tÇn dßng ®iÖn h»ng Id . Trong cÇu biÕn tÇn , mçi tiristor ®−îc nèi thªm mét diode , gäi lμ diode chÆn. C¸c tiristor ®−îc ®iÒu khiÓn më theo tr×nh tù : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, ... + E d i T T d 1 3 T T T4 6 T D 1 D D D D 4 6 D R 1 2 3 C4 C5 6 - S T C C C C H×nh 3.8 S¬ ®å nguyªn lý bé biÕn tÇn nguån dßng 3 pha Trang 30 A H×nh 3.9 S¬ ®å ph©n phèi xung cho c¸c Thyristor Trang 31 H×nh 3.10 S¬ ®å dßng ®iÖn trªn c¸c pha t¶i T¹i bÊt kú thêi ®iÓm nμo, trõ giai ®o¹n trïng dÉn , chØ cã hai tiristor dÉn dßng . Dßng ®iÖn t¶i cã d¹ng sãng gÇn sin ch÷ nhËt gåm hai khèi. C¸c khèi c¸ch nhau mét kho¶ng , tr−êng hîp lý t−ëng , b»ng π /3, trong kho¶ng nμy dßng ®iÖn pha t¶i b»ng 0. C¸c pha stator cña ®éng c¬ lÇn l−ît nhËn c¸c dßng ®iÖn  sin ch÷ nhËt lÖch nhau gãc 2 π/3 , t¹o ra tõ tr−êng quay mμ tèc ®é cña nã quyÕt ®Þnh bëi nhÞp ®iÖu cÊp xung ®iÒu khiÓn cÇu biÕn tÇn. §éng c¬ ®iÖn s¶n sinh ra ë c¸c pha c¸c søc ®iÖn ®éng t−¬ng øng tsinU2uR ω= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 3 22 πωtsinUuS ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 3 42 πωtsinUuT • Ho¹t ®éng cña bé nghÞch l−u dßng ba pha: Nguån cung cÊp cho nghÞch l−u lμ nguån dßng ®iÖn, nguån ®iÖn mét chiÒu kh«ng phô thuéc vμo tæng trë cña t¶i. §Ó thùc hiÖn ®−îc ®iÒu nμy th−êng th× ®iÖn c¶m Ld ph¶i cã gi¸ trÞ ®ñ lín vμ ph¶i sö dông c¸c m¹ch vßng ®iÒu chØnh dßng ®iÖn . Dßng ®iÖn t¶i cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt vμ do tr×nh tù ®ãng c¾t cña c¸c van tõ T1 ®Õn T6 quyÕt ®Þnh. Gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn t¶i: 3 2 ds II = Trang 32 Gi¸ trÞ hiÖu dông cña thμnh phÇn sãng c¬ b¶n dßng ®iÖn trong ph©n tÝch Fourie lμ: π 6 1 ds II = Tõ ®©y ta suy ra: 1 1 cos63 ϕ π d s UU = Khi nghÞch l−u nguån dßng lμm viÖc víi t¶i lμ ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu th× trªn ®å thÞ ®iÖn ¸p t¶i cã xuÊt hiÖn c¸c xung nhän t¹i c¸c thêi ®iÓm chuyÓn m¹ch dßng ®iÖn gi÷a c¸c pha. Trong thùc tÕ kü thuËt th−êng dïng c¸c van ®iÒu khiÓn kh«ng hoμn toμn v× vËy cÇn cã c¸c m¹ch khãa c−ìng bøc c¸c van ®ang dÉn , ®¶m b¶o chuyÓn m¹ch gi÷a c¸c pha mét c¸ch ch¾c ch¾n trong ph¹m vi ®iÒu chØnh tÇn sè vμ dßng ®iÖn ®ñ réng . Trong s¬ ®å cÇu nμy ngoμi c¸c tiristor lùc T1 ÷T6 cßn sö dông c¸c diode c¸ch ly hay diode chÆn tõ D1 ÷ D6 nh»m ®Ó c¸ch ly gi÷a c¸c tô ®iÖn chuyÓn m¹ch vμ d©y quÊn c¸c pha cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé §K ®Ó chóng kh«ng t¹o thμnh m¹ch céng h−ëng lμm ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch . §Ó xÐt sù ho¹t ®éng cña bé nghÞch l−u dßng ba pha nμy ta xÐt qu¸ tr×nh chuyÓn dßng ®iÖn tõ pha R sang pha S , vμ tõ pha T sang pha R . Trang 33 H×nh 3.11 S¬ ®å chuyÓn m¹ch tõ pha R sang pha S T 1 D 1 D 4 T 4 C 1 C 2 C 3 A I d E d T 3 D 3 D 6 T 6 T 5 D 5 D 2 T 2 C 4 C 6 B C A' B' C' C 5 U S U R U T R S T ~ ~ ~ i R i S i T 0 0 0 2π 2π_ 2π π π/3 t t t Trang 34 H×nh 3.12 S¬ ®å ®iÖn ¸p vμ dßng ®iÖn ®i qua c¸c phÇn tö cña m¹ch vμ c¸c . pha trong qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch * ChuyÓn dßng ®iÖn tõ pha R sang pha S: Gi¶ thiÕt T1, D1, D2 vμ T2 ®ang më cho dßng ch¶y qua. Dßng ®iÖn Id ch¶y vμo t¶i pha R vμ tõ t¶i pha T ch¶y ra. Lóc nμy , ®iÖn ¸p trªn c¸c tô ®iÖn nh− sau: 01 Uuu BAC == 02 == BCC uu 03 Uuu CAC −== Khi t = t1 , cho xung ®iÒu khiÓn më T3 .Tiristor nμy më , ®Æt ®iÖn ¸p uBA=- U0 lªn T1 ®Ó kho¸ T1 . Dßng ®iÖn Id , tõ nguån , lËp tøc chuyÓn qua T3 , råi rÏ thμnh hai nh¸nh . Nh¸nh thø nhÊt , IC1 = 2 Id / 3 , n¹p ®iÖn cho C1 ; nh¸nh thø hai , IC2 = IC3 = Id /3 n¹p ®iÖn cho C2 nèi tiÕp C3 . Dßng ®iÖn hai nh¸nh hîp l¹i ch¶y qua D1 ®Ó vμo t¶i pha R råi ra ra t¶i pha T qua D2 vμ T2 ®Ó trë vÒ nguån .Tô ®iÖn C1 vμ C3 ®−îc n¹p ng−îc so víi tr−íc ®ã. Lóc nμy (t=t1) ,D3 vÉn ch−a dÉn dßng . Trong m¹ch vßng BARSB ta cã ph−¬ng tr×nh: RSCD uuu += 13 Trang 35 Khi t t≥ 2, uD3≥0, diode D3 b¾t ®Çu dÉn dßng . Dßng Is tõ zero t¨ng dÇn ®Õn trÞ Id cßn dßng IR tõ trÞ Id gi¶m dÇn xuèng zero .Khi t = t3 , kÕt thóc qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch . Lóc nμy T3 vμ T2 dÉn dßng : UBA= -U0 , UCB= U0 , UCA=0. • ChuyÓn dßng ®iÖn tõ pha T sang pha R Lóc nμy T2 vμ T3 ®ang dÉn dßng , ta cã : UAB=0 , UBC=U0 , UCA= -U0 . Khi t=t4 , cho xung ®iÒu khiÓn më T4 . Tiristor nμy ®Æt ®iÖn ¸p - U0 lªn T2 ®Ó kho¸ T2 . Dßng ®iÖn Id ch¶y qua D2 , chia thμnh hai nh¸nh .Nh¸nh thø nhÊt IC5= IC4 =Id /3 n¹p ®iÖn cho C5 vμ C4 . Nh¸nh thø hai ,IC6=2 Id /3 n¹p ®iÖn cho C6 Lóc nμy (t=t4), D4 vÉn ch−a dÉn dßng . Trong m¹ch vßng ACTRA ta cã ph−¬ng tr×nh : RTCD uuu += 64 Khi t t≥ 5 , uD4 0, diode D≥ 4 b¾t ®Çu dÉn dßng . Dßng IR t¨ng dÇn ®Õn trÞ Id , cßn dßng IT tõ trÞ Id gi¶m xuèng zero .Khi t = t6 , kÕt thóc qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch. Lóc nμy T3 vμ T4 dÉn dßng: UBA = U0 , UCB = 0 , UCA = U0 . Khi sö dông s¬ ®å biÕn tÇn dßng ba pha ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ kh«ng ®ång bé, trÞ cùc ®¹i cña mæi tô ®iÖn chuyÓn m¹ch cã thÓ ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: 2 20209106660 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +≈ L I.f U ,L. f.U f.I ,,C mn m maxm nm max trong ®ã : fn- tÇn sè ®Þnh møc; fmax -tÇn sè cùc ®¹i ; Im- dßng ®iÖn tõ ho¸ , [ ]21 ϕcos.II nm −= In- dßng ®iÖn ®Þnh møc cña ®éng c¬ ®iÖn ; Trang 36 L - ®iÖn c¶m t¶n mét pha (stator + roto); Um -biªn ®é cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p d©y. B. NGHÞCH L¦U NGUåN ¸P : Bé biÕn tÇn nguån ¸p hay lμ bé nghÞch l−− ®iÖn ¸p cã ®Æt ®iÓm lμ d¹ng ®iÖn ¸p ra t¶i ®−îc ®Þnh h×nh s½n, cßn d¹ng dßng ®iÖn t¶i l¹i phô thuéc tÝnh chÊt t¶i. Nguån cÊp ®iÖn cho bé biÕn tÇn ph¶i lμ nguån søc ®iÖn ®éng víi néi trë nhá. NÕu sö dông chØnh l−u lμm nguån cho bé nghÞch l−u ®éc lËp th× cÇn ph¶i m¾c thªm mét tô ®iÖn C0 ë ®Çu vμo nghÞch l−u ®Ó mét mÆt ®¶m b¶o ®iÖn ¸p nguån Ýt bÞ thay ®æi, mÆt kh¸c ®Ó trao ®æi n¨ng l−îng ph¶n kh¸ng víi ®iÖn c¶m t¶i ( víi t¶i R hoÆc ®éng c¬ ®iÖn ) . §iÖn ¸p ra cña bé nghÞch l−u ®éc lËp kh«ng cã d¹ng h×nh sin nh− mong muèn mμ ®a sè lμ d¹ng xung ch÷ nhËt . §Ó ®¸nh gi¸ sãng hμi cña ®iÖn ¸p ra ng−êi ta th−êng dïng hÖ sè sau: 1U U K qq = trong ®ã Uq , U1 lμ trÞ hiÖu dông cña sãng hμi bËc q vμ bËc 1 ( sãng c¬ b¶n ) . C¸c van b¸n dÉn dïng trong bé nghÞch l−u ®éc lËp cã thÓ lμ tiristor hoÆc c¸c transisto ( bipolar , MOSFET, IGBT) , nh−ng phï hîp vμ −u viÖc h¬n c¶ lμ dïng transisto do ®ã ng−êi ta tr¸nh dïng tiristor . C¸c s¬ ®å nghÞch l−u ®éc lËp phÇn lín cã d¹ng t−¬ng tù nh− ë m¹ch chØnh l−u , th«ng dông nhÊt lμ c¸c s¬ ®å cÇu . V× vËy d−íi ®©y chØ xem xÐt s¬ ®å bé nghÞch l−u ®éc lËp lo¹i cÇu dïng van ®iÒu khiÓn khoa 1. Bé nghÞch l−u ¸p cÇu mét pha: + - i d Zt Uc i t D1 D4 D2 D3 T1 T1 T1 T3 U BE T1,T3 U BE T2,T4 U t , it iT i t t t t t Trang 37 T1T3 T2T4 C 0 H×nh 3 .13 : S¬ ®å bé nghÞch l−u ®iÖn ¸p mét pha vμ d¹ng sãng ®iÖn ¸p , dßng ®iÖn S¬ ®å nghÞch l−u ®iÖn ¸p mét pha nh− h×nh gåm cã 4 van T1,T2,T3 ,T4 vμ c¸c diode chÆn t−¬ng øng D1,D2 ,D3,D4 .C¸c van T1 ÷ T4 ®−îc ®iÒu khiÓn theo cÆp T1,T3 vμ T2, T4 lÖch pha nhau mét gãc 1800 . ë n÷a chu kú ®Çu ®iÒu khiÓn më T1,T3 , ®iÖn ¸p nguån sÏ ®Æt lªn t¶i víi cùc tÝnh nh− trªn h×nh (dÊu trªn) .Ta cã : ut = EN Dßng ®iÖn ch¶y tõ cùc d−¬ng nguån qua T1 - Zt - T3 vÒ cùc ©m cña nguån. §Õn thêi ®iÓm T/2 hoÆc π ta ®¶o tr¹ng th¸i ®iÒu khiÓn cho T1 T3 vμ T2 T4 dÉn. Nh−ng do t¶i cã tÝnh c¶m nªn dßng ®iÖn kh«ng ®¶o chiÒu ngay ®−îc. N¨ng l−îng lÝch lòy ë ®iÖn c¶m sÏ duy tr× dßng ®iÖn theo chiÒu cò , lóc ®ã dßng ®iÖn buét ph¶i tho¸t qua c¸c diode D2 , D4 vÒ nguån theo ®−êng D2 , cùc d−¬ng EN , qua nguån EN xuèng cùc ©m ( hoÆc qua tô Co ) -D4 ( mét phÇn dßng t¶i sÏ qua T2, T4 theo chiÒu ng−îc) . Nh− vËy , do D2 , D4 vμ T2 , T4 dÉn , ®iÖn ¸p ra t¶i ®¶o cùc tÝnh ngay ( dÊu d−íi ) nªn lóc nμy ut = - EN , song dßng ®iÖn it vÉn duy tr× chiÒu cò cho ®Õn thêi ®iÓm t2 míi ®¶o chiÒu. §Õn ®iÓm 2π l¹i ®¶o tr¹ng th¸i, qu¸ tr×nh diÓn ra t−¬ng tù , dßng sÏ duy tr× chiÒu cò mét ®o¹n b»ng t1 nhê c¸c van D1, D3 , T1, T3 råi míi ®¶o chiÒu . Qua mét chu kú t¶i nhËn ®−îc ®iÖn ¸p vμ dßng ®iÖn lμ xoay chiÒu , ®©y chÝnh lμ nguyªn lý nghÞch l−u . §Ó x¸c ®Þnh quy luËt biÕn thiªn cña dßng t¶i ta cã thÓ sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p gi¶i m¹ch t−¬ng tù khi ph©n tÝch c¸c bé ®iÒu chØnh xung ¸p mét chiÒu : Víi hμm ¶nh Laplace t¸c ®éng trong m¹ch lμ : ( ) 2/ 2/ 1 1 1 1)( pT pT NpT tpT e e p E dtetu e pU − − − − + −=−= ∫ Ta suy ra biÓu thøc dßng ®iÖn t¶i : ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= − − τ τ 2/ / 1 21 T t N t e e R E ti víi τ =L/R .BiÓu thøc nμy hay ®−îc viÕt d−íi d¹ng : Trang 38 ( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + −−= 30 1 /21 a QeItit θ trong ®ã R EI N=0 gäi lμ dßng c¬ së. R LQ .ω= víi ω lμ tÇn sè gãc vμ T πω 2= ; Qea 3/1−= Khi ®· cã biÓu thøc dßng ®iÖn t¶i it ta x¸c ®Þnh c¸c ®−îc tham sè kh¸c cña s¬ ®å Dßng ®iÖn t¶i cùc ®¹i ®−îc x¸c ®Þnh : 3 3 0max 1 1 2 a aITiI t + −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= trÞ hiÖu dông cña dßng t¶i ®−îc x¸c ®Þnh : ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −+=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= ∫ 112121 3 3 0 0 a aQIdiI tt πθθπ π Thêi ®iÓm dßng t¶i vÒ ®Õn 0 t−¬ng øng víi ( ) 01 =θti lμ : 31 1 2ln. a Q +=θ Tõ ®©y cã dßng trung b×nh qua van ®iÒu khiÓn : ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −−== ∫ QaaIdiI tT 3 3 1 0 1 1 1 2 )( 2 1 θππθθθπ π TrÞ hiÖu dông cña dßng nμy lμ : ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −−−= ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡= ∫ Qa aaIdiI thdT )1(2 2321).(21 3 63 10 2 θππθθπ C¸c trÞ sè t−¬ng øng cña dßng qua diode : ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+ −== ∫ 13301 0 1 1 2 )( 2 1 θπθθ θ π Qa aIdiI tD ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+ −+= 13 63 0 12 321 2 1 θπ Qa aaII hdD Dßng ®iÖn tiªu thô tõ nguån EN lμ: ( ) ( )( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −+== ∫ 11211 3 3 0 a aQIdiI td πθθπ Trang 39 C«ng suÊt höu Ých t¶i tiªu thô tõ nguån : ( )( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −+== 1 121 3 3 0 a aQIEIEP NdNd π C«ng suÊt biÓu kiÕn lÊy tõ nguån : ( )( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −+== 1 121 3 3 0 a aQIEIUS Ntt π Suy ra hÖ sè c«ng suÊt : ( )( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −+= 1 121 3 3 a aQ S P π Ph©n tÝch d¹ng ut thμnh d·y Fourier ta cã trÞ sè hiÖu dông cña sãng hμi bËc q lμ : ( )[ ]qNq qEU 11−= π Nh− vËy sãng hμi chØ cã c¸c bËc lÏ vμ cã hÖ sè : qU U K qq 1 1 == Tr−êng hîp dïng m¹ch chØnh l−u lμm nguån cho bé nghÞch l−u ®iÖn ¸p ,do tÝnh chÊt chØ cho dßng ®iÖn ch¹y theo chiÒu x¸c ®Þnh , ®Ó ®¶m b¶o qu¸ tr×nh phãng ®iÖn vÒ nguån cÇn cã mét tô ®iÖn Co ë ®Çu vμo bé nghÞch l−u ®iÖn ¸p. XuÊt ph¸t tõ quy ®Þnh vÒ ®é æn ®Þnh ®iÖn ¸p nguån vμ ®é qu¸ ¸p cho phÐp trªn tô Δ Uc kh«ng nªn qu¸ 10 % vμ cho r»ng toμn bé ®é dao ®éng dßng ®iÖn t¶i do tô Co g¸nh chÞu , ta rót ra ®−îc trÞ sè ®iÖn dung cÇn cã : ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−+ − Δ≥ −− − ττ ττ 2/2/ 2/ 0 1 2ln 1 1 . TT T C N ee e UR E C BiÓu thøc trªn cho thÊy víi tÇn sè lμm viÖc cμng thÊp cÇn cã Co lín h¬n gi¸ trÞ gi¸ trÞ Co lín nhÊt khi tÇn så f → 0 vμ b»ng : ( ) C d C d UR E UR EC Δ≈−Δ= . . 293,02ln1 .max0 ττ Qua biÓu thøc Uq vμ Kq ta thÊy biªn ®é c¸c sãng hμi bËc thÊp kh¸ lín so víi sãng hμi c¬ b¶n .§èi víi t¶i lμ ®éng c¬ ®iÖn th× ®iÒu nμy hoμn toμn kh«ng mong muèn .V× vËy ng−êi ta cè g¾ng lo¹i trõ c¸c sãng hμi bËc thÊp. 2. NghÞch l−u ¸p ba pha: a.S¬ ®å nguyªn lÝ : Ho¹t ®éng cña s¬ ®å: Nguyªn t¾t ho¹t ®éng cña bé nghÞch l−u ¸p ba pha dùa trªn nguyªn lÝ ho¹t ®éng cña bé nghÞch l−u ¸p mét pha. ë bé nghÞch l−u ¸p ba pha cã tÊt c¶ s¸u van c¸c van lÎ S1, S3, S5 n»m ë phÝa trªn cßn c¸c van ch½n S2, S4, S6 n»m ë phÝa d−íi, hai van trong cïng mét pha th× kh«ng ®ång thêi dÉn nghÜa lμ van Trang 40 nμy dÉn th× van kia sÏ khãa vμ ng−îc l¹i. §Ó cã dßng ch¹y qua t¶i th× nÕu cã mét nhãm van cã chØ sè lÎ b¾t buét ph¶i cã Ýt nhÊt mét van thuéc nhãm ch½n dÉn.. + VR1 S1 VR3 S3 VR5 S5 - VR4 S4 VR6 S6 VR2 S2 1 UZ31 2 3 UZ12 U H×nh 3. 14 : S¬ ®å nguyªn lý m¹ch nghÞch l−u ¸pba pha NÕu van cã chØ sè thuéc nhãm lÎ th«ng hoÆc Diod ng−îc ®i kÌm nã th«ng th× ®iÖn ¸p ®Çu ra t−¬ng øng cña pha ®ã víi ®iÓm kh«ng lμ Ud/2. Ng−îc l¹i nÕu van cã chØ sè ch½n th«ng hoÆc Diod ®i kÌm víi nã dÉn th× ®iÖn ¸p ®Çu ra cña pha ®ã ®èi víi ®iÓm kh«ng lμ -Ud/2. Ta cã: U10 - U30 UZ31 U30 - U20 UZ23 U20 - U10 UZ12 = = = 0321 1331 3223 2112 =++ −= −= −= ZZZ ZZZ ZZZ ZZZ UUU UUU UUU UUU ( ) ( ) ( )23313 12132 31131 31 31 31 ZZZ ZZZ ZZZ UU/U UU/U UU/U −= −= −= ⇒ U z1 U z2 U z3 UB z1 2Ud/3 Ud/3 UBdB T/ 2 T Trang 41 H×nh 3. 15 : D¹ng ®iÖn ra trªn t¶i sau bé nghÞch l−u. §iÖn ¸p d©y vμ ®iÖn ¸p pha nh− sau: Khai triÓn Furie ®iÖn ¸p d©y vμ ®iÖn ¸p pha: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +++= ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−−= tSintSintSintSinuu tSintSintSintSinuu dA dAB ωωωωπ ωωωωπ 11 11 1 7 7 1 5 5 12 11 11 1 7 7 1 5 5 132 TÇn sè ®iÖn ¸p ra cã thÓ ®−îc thay ®æi b»ng c¸ch thay ®æi nhÞp ®iÖu ®ãng c¾t cña c¸c van trong bé nghÞch l−u. IV. C¸C PH¦¥NG PH¸P §IÒU CHØNH §IÖN ¸P TR£N T¶I : Khi ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ b»ng c¸ch thay ®æi tÇn sè th× ph¶i thay ®æi c¶ ®iÖn ¸p ®Æt vμo ®éng c¬. §iÖn ¸p cã thÓ ®−îc ®iÒu chØnh b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau: + §iÒu chØnh biªn ®é ®iÖn ¸p mét chiÒu b»ng bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn hoÆc b»ng bé b¨m xung. + §iÒu chØnh thêi gian ®ãng, më cña c¸c van. 1. §iÒu chØnh biªn ®é cña ®iÖn ¸p mét chiÒu b»ng chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn hoÆc b»ng bé b¨m xung: a. §iÒu chØnh biªn ®é cña ®iÖn ¸p mét chiÒu b»ng chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn: §Ó ®iÒu chØnh ®−îc gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p cña bé chØnh l−u ta thay ®æi gãc më α cña c¸c van. Do ®ã thay ®æi ®−îc Uf. + Khi t¨ng α th× Ud gi¶m vμ ng−îc l¹i. VÝ dô s¬ ®å chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn h×nh cÊu b»ng c¸c Thyristor ®−îc cho xung më theo thø tù T1, T2, T3, T4, T5, T6, T1.Mçi thêi ®iÓm cã 2 Thyristor më c¸c xung ®iÒu khiÓn lÖch nhau π/3. Kho¶ng dÉn cña c¸c van lμ 2π/3. Trong mçi nhãm (T1,T3, T5 vμ T2, T4, T6) khi mét Thyristor më nã sÏ khãa ngay Thyristor dÉn dßng tr−íc ®ã. Gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p trªn t¶i: Trang 42 απ cosVUd 2= 63 nÕu α = π/2 th× Ud = 0. Trang 43 H×nh 3.16. S¬ ®å nguyªn lý vμ d¹ng sãng chØnh l−u cÇu 3 pha cã ®iÒu khiÓn a) S¬ ®å b) D¹ng sãng khi gãc më nhá c) D¹ng sãng khi gãc më lín Trang 44 + - C Tp T a D c L c Zt Dr Hçnh 3.17. Så âäö nguyãn lyï maûch bàm âiãûn aïp b. §iÒu chØnh biªn ®é ®iÖn ¸p mét chiÒu b»ng bé b¨m xung: Bé b¨m ®iÖn ¸p mét chiÒu gåm cã: Tp: Thyristor chÝnh; Thyristor phô; Lc ®iÒu chØnh; C lμ phÇn tö chuyÓn m¹ch; Dr lμ Diod hoμn n¨ng l−îng. Khi Tp më th× Uf = V, tô C phãng ®iÖn vμ ®−îc n¹p theo chiÒu ng−îc víi cùc tÝnh nh− h×nh vÏ. Khi ta më th× Tp bÞ khãa Uf = 0. Ut V t T1 Gäi T lμ chu k× b¨m T = T1 + T2. T1 = αT lμ thêi gian ®ãng m¹ch cña Tp. THçnh 3.18. Chu kyì xung âiãöu khiãøn måí Thyristor T2=T-T1 lμ thêi gian hë m¹ch. α = T1/T lμ tØ sè chu k×. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p t¶i: Uf = αV. VËy b»ng c¸ch biÕn ®æi tØ sè chu k× α (T = Const) cã thÓ ®iÒu chØnh ®−îc gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p ra. 2. §iÒu chØnh thêi gian ®ãng ng¾t cña c¸c van ®Ó thay ®é réng xung: §Ó lμm ®−îc ®iÒu nμy ng−êi ta t×m c¸ch x©y dùng trong nghÞch l−u nh÷ng chuyÓn m¹ch phô sao cho ®iÖn ¸p t¶i sÏ cã mét ®o¹n b»ng kh«ng. VÝ dô ®èi víi bé nghÞch l−u ¸p ba pha: trong mét kho¶ng θ = π/3 ta chia thμnh hai kho¶ng α vμ β. Trong kho¶ng th× hai van ë nhãm nμy vμ mét van ë nhãm kia dÉn nh− b×nh th−êng, nh−ng trong kho¶ng β th× c¶ ba van trong mét nhãm cïng dÉn ®Ó ®iÖn ¸p pha t¶i trong kho¶ng nμy b»ng kh«ng. U T1 T2 T3 T2 T3 T4 T3 T4 T5 T4 T5 T6 α T5 T6 T1 T6 T1 T2 Trang 45 fa 2π/ π 2π Hçnh 3.19. Giaín âäö âiãûn aïp taíi 3. §iÒu biÕn ®é réng xung (PWM): Ph−¬ng ph¸p ®iÒu biÕn ®é réng xung cho phÐp võa ®iÒu chØnh ®−îc ®iÖn ¸p ra võa gi¶m nhá ®−îc ¶nh h−ëng cña c¸c sãng hμi bËc cao. §Ó x¸c ®Þnh kho¶ng ph¸t xung chïm ®iÒu khiÓn c¸c van, ta t¹o ra mét sãng d¹ng Sin Ur cã tÇn sè b»ng tÇn sè mong muèn gäi lμ sãng ®iÒu biÕn. Dïng mét kh©u so s¸nh Ur vμ Up , c¸c giao ®iÓm cña hai sãng nμy x¸c ®Þnh kho¶ng ph¸t xung. TØ sè gi÷a biªn ®é sãng ®iÒu biÕn vμ biªn ®é sãng mang gäi lμ tØ sè ®iÒu biªn. M = Ar/Ap §Ó ®iÒu chØnh ®é réng xung tøc lμ ta ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra trªn t¶i ta ®iÒu chØnh Ar. §iÒu biÕn ®é réng xung ®−îc chia thμnh hai lo¹i: - §iÒu biÕn ®é réng xung ®¬n cùc. - §iÒu biÕn ®é réng xung l−ìng cùc. a. §iÒu biÕn ®é réng xung ®¬n cùc (h×nh 3.20a). §iÖn ¸p ra trªn t¶i lμ mét chuæi xung, ®é réng kh¸c nhau, cã trÞ sè 0 vμ ± E. Ut Ur U π 2π θ a π 2π θ a Trang 46 H×nh 3.20a. D¹ng ®iÖn ¸p ra cña ®iÒu chÕ ®é réng xung®¬n cùc b. §iÒu biÕn ®é réng xung l−ìng cùc (h×nh3.20b). §iÖn ¸p ra trªn t¶i lμ mét chuçi xung, ®é réng kh¸c nhau, cã trÞ sè ± E. Ut Ur U π 2π θ a π 2π θ a E+ u E- H×nh 3.20b. D¹ng ®iÖn ¸p ra cña ®iÒu chÕ ®é réng xung l−ìng cùc Trang 47