Các bộ nghịch lưu

Thông thường trong các mạch điều khiển ta thường điều kiển theo hàm arccos nên giá trị góc
α
phải biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian với chu kì điện áp ra của bộ nghịch lưu.
Hình 1.3 Sơ đồ nghịch lưu điểm giữa thay thế và dòng điện vòng
Dạng sóng biểu diễn trong hình 1.3 được vẽ trong trường hợp biên độ ra lớn nhất của điện áp
ra có thể đạt được. Cho nhóm dương làm việc để có điện áp ra cực đại , dạng sóng ứng điện áp ra ứng
với góc mở bằng 0. Chuyển mạch tiếp theo phải thoả mãn một giá trị sao cho điện áp ra đạt giá trị
như mong muốn. Các giao điểm của sóng sin chuẩn (dạng điện áp đầu ra như mong muốn) với các
sóng cosin được vẽ với cực đại tại các thời điểm góc mở bằng 0 xác định thời điểm kích mở các
thyristor. Hình vẽ trên (Hình 1.8) biểu diễn đầu ra của nhóm dương. Ta cần phải chú ý rằng trong chế
độ chỉnh lưu góc mở của van bán dẫn nhỏ hơn 90
0
(góc mở
1p
α
) nhưng trong chế độ nghịch lưu,
trong nửa chu kì âm, góc mở phải lớn hơn 90
0
(góc mở
2p
α
), góc
2p
β
là góc mở vượt trước hay góc
mở nhanh.
Quá trình xác định hoạt động của nhóm âm được tiến hành tương tự. Trong quá trình mở van
có thể tiến hành cho mở sớm hơn để quá trình chuyển mạch kết thúc sớm hơn.
Để giảm điện áp đầu ra ta tiến hàh giảm biên độ của sóng sin chuẩn ở giá trị như mong muốn.
Quá trình giảm điện áp ra đi liền với đó là thành phần sóng hài trong dòng điện cũng tăng lên.
Quá trình điều khiển bộ nghịch lưu trực tiếp là quá trình khá phức tạp. Sơ đồ mạch điều khiển
được trình bày trên hình 1.9. Tín hiệu phát hiện có dòng điện vòng trong bộ biến đổi sẽ chuyển tín
hiệu kích mở từ nhóm này sang nhóm khác để đảm bảo phải có một nhóm bị khoá.
2.2.Bộ nghịch lưu gián tiếp :
Bộ nghịch lưu trực tiếp có ưu điểm là có thể đưa ra một công suất khá lớn ở đầu ra nhưng có
một số nhược điểm sau :
- Chỉ có thể cho điện áp ra có tần số nhỏ hơn tần số điện áp lưới.
- Khó điều khiển khiển ở tần số nhỏ vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
- Sóng điện áp đầu ra không thực sự gần sin.
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại nghịch lưu khác được đưa ra để nâng cao chất
lượng trong cung cấp nguồn đó là nghịch lưu gián tiếp. Bộ nghịch lưu gián tiếp cho phép khắc phục
những nhược điểm của bộ nghịch lưu trực tiếp ở trên.
Trong bộ nghịch lưu gián tiếp thì trước khi được nghịch lưu điện áp lưới được chỉnh lưu
thành điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lưu diode hoặc bộ chỉnh lưu có điều khiển. Điện áp một chiều
được qua một bộ lọc để cung cấp cho bộ nghịch lưu một nguồn điện áp một chiều tương đối ổn định
cho mạch nghịch lưu.
Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp có sơ đồ khối như hình vẽ :
Hình 1.4 : Sơ đồ khối bộ nghịch lưu gián tiếp
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu gián tiếp :
Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50/60 Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ
bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển (chỉnh lưu diode) hoặc chỉnh lưu có điều khiển (chỉnh lưu
thyristor), sau đó được lọc và được bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành điện áp xoay chiều có tần số
thay đổi. Tuỳ thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu như hình 1.5 mà ta chia bộ nghịch lưu gián tiếp
được chia làm ba loại :
- Bộ nghịch lưu nguồn dòng điện, chỉnh lưu thyristor (hình 1.5a)
- Bộ nghịch lưu nguồn điện áp, chỉnh lưu thyristor (hình 1.5b)
- Bộ nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung (PWM) (hình1.5c)
Hình 1.5 : Sơ đồ khối các bộ nghịch lưu gián tiếp
2.2.2. Bộ nghịch lưu nguồn dòng điện - chỉnh lưu có điều khiển :
2.2.2.1. Bộ nghịch lưu một pha :
Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển, thường
là thyristor, điện áp một chiều sau chỉnh lưu được đưa qua cuộn kháng lọc. Cuộn kháng lọc có tác
dụng biến nguồn điện sau chỉnh lưu thành nguồn dòng để cung cấp cho mạch nghịch lưu. Đối với bộ
nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn điện một chiều thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào
hiện tượng của bộ nghịch lưu trong khoảng làm việc trước đó. Trong thực tế thì bộ nghịch lưu nguồn
dòng được cung cấp bằng nguồn điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn (hình 1.6), điều đó
cho phép làm thay đổi điện áp của bộ nghịch lưu.
Hình 1.6 : Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha
Các biến thiên dòng điện được cân bằng nhờ Ldi/dt. Nhưng do di/dt nhỏ nên nguồn dòng
trong thực tế không thay đổi trong thời gian ngắn.
Chuyển mạch đơn giản nhất của bộ nghịch lưu có dòng điện không đổi chỉ cần có các tụ điện.
Ta xét một mạch đơn giản có sơ đồ nhưhình 1.6a. Khi các thyristor T
1
và T
2
dẫn, các tụ điện tích điện
dương trên các bản cực trái. Việc kích mở các thyristor T
3
và T
4
làm các tụ điện nối vào các cực của
thyristor T
1
và T
2
tương ứng để khóa chúng lại. Bây dòng điện đi qua T
3
C
1
D
1
, qua tải sau đó qua
D
2
C
2
T
4
và về nguồn. Điện áp trên hai cực của tụ điện sẽ đảo chiều ở một số thời điểm nhất định phụ
thuộc vào điện áp của tải, các diode D
3
và D
4
bắt đầu dẫn. Dòng điện nguồn sau một thời gian ngắn sẽ
chuyển từ D
1
sang D
3
và từ D
4
sang D
2
. Cuối cùng các diođe D
1
và D
2
ngừng dẫn, khi dòng điện qua
tăi hoàn toàn ngược chiều. Điệp áp các tụ đổi chiều chuẩn bị cho nửa chu kì sau.
Các diode vẽ trên hình 1.6 có tác dụng ngăn cách tụ điện với điện áp tải. Dòng điện tải hình
chữ nhật nếu ta bỏ qua quá trình chuyển mạch, điện áp ra có thành phần cơ bản hình sin nhưng có
đỉnh nhọn tại các điểm chuyển mạch.
2.2.2.2.Bộ nghịch lưu ba pha :
Sơ đồ mạch nghịch lưu ba pha có dạng như hình vẽ (Hình 1.7)
Hình 1.7 : Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng điện điển hình
Dòng điện cấp cho động cơ có dạng xung hình chữ nhật có biên độ không đổi nên sụt áp trên
điện cảm tản của stator bằng không và sụt áp trên điện trở stator không đổi. Do đó điện áp trên hai
cực của đông cơ được tạo ra bởi tải, không phải do mạch nghịch lưu. Sơ đồ nối dây khi chuyển mạch
và dạng dòng điện pha có dạng như hình 1.8.
Trong thực tế mạch nghịch lưu dòng điện thuờng sử dụng các thyristor điều khiển không hoàn
toàn có sơ đồ nguyên lý như hình 1.9. Dây quấn ba pha được bố trí đối xứng, nên điện áp của động
cơ có dạng gần với điện áp hình sin. Trong trường hợp lý tưỏng thì dòng điện có dạng hình chữ nhật
có biên độ không thay đổi. Nhưng thực tế thì quá trình chuyển mạch của thyristor không phải là tức
thời, các thyristor cần có thời gian để dẫn và khóa hoàn toàn, nên dạng sóng của dòng điện không
phải là vuông hoàn toàn. Trong khoảng thời gian các van T
1
và T
6
dẫn dòng, dòng điện pha
a b
i i
= −
,
các tụ chuyển mạch nạp điện có cực tính như hình vẽ. Khi có xung mở T
2
, T
2
sẽ dẫn và T
6
sẽ bị khoá
do điện áp ngược. Do tải có tính cảm, dòng điện I
d
không bị gián đoạn ngay mà sẽ khép mạch qua
D
6
– C
12
song song với mạch nối tiếp C
46
– C
42
– T
2
nạp cho tụ C
62
, điện áp trên tụ C
62
tăng tuyến tính
cho đến khi dòng i
C
xuất hịên, bắt đầu chuyển dòng của D
6
cho D
2
, tức là chuyển dòng từ pha a sang
pha b.Kết thúc quá trình chuyển mạch khi
0
b
i
=
và
c d
i I=
và tụ C
62
phân cực ngược lại.
Hình 1.8: Sơ đồ nối dây chuyển mạch và dạng dòng điện pha
Một số ưu điểm của nghịch lưu nguồn dòng :
- Có khả năng vượt qua được các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng thái làm việc bình
thường.
- Có khả năng hãm tái sinh trả năng lượng về lưới bằng đảo dấu cực tính của điện áp một chiều trong
khi chiều dòng điện không đổi chiều. Vì vậy không cần yêu cầu thêm bộ chỉnh lưu đảo chiều điện áp.
Sự làm việc của động cơ khi độ trượt âm sẽ tự động đảo dấu điện áp một chiều vì dòng điện một
chiều là đại lượng được điều khiển. Do đó trong bộ nghịch lưu nguồn dòng năng lượng sẽ được tự
động nghịch lưu trả về lưới.
Hình 1.9 : Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng
Nhược điểm của bộ nghịch lưu nguồn dòng :
- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu nguồn dòng là không thể làm việc được ở chế độ không
tải.
- Kích thước của tụ điện và điện cảm lọc nguồn một chiều khá lớn. Các tụ chuyển mạch phải có trị số
lớn cần thiết để thu nhận năng lượng của cuộn dây stator khi chuyển mạch.
- Để đảm bảo năng lượng phản kháng tối thiểu thì động cơ phải được thiết kế sao cho điện cảm tản
nhỏ nhất. Điều này sẽ làm tăng mức giá động cơ.
2.2.3. Bộ nghịch lưu nguồn điện áp chỉnh lưu có điều khiển :
2.2.3.1. Bộ nghịch lưu một pha :
Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sau khi qua bộ chỉnh lưu có điều khiển được tụ C lọc
thành nguồn áp, cung cấp cho mạch nghịch lưu.

a. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa :
Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.10. Nối điện áp một
chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thyristor
làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp có dạng hình chữ nhật cung cấp co động cơ.Tụ
điện C có vai trò giúp các thyristor chuyển mạch.Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên
phải mắc nối tiếp một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại
nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn.
Hình 1.10 : Sơ độ nghịch lưu môt pha có điểm giữa
Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa cuộn dây sơ cấp. Điện
áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C. Mở thyristor tiếp theo sẽ làm khoá thyristor trước, nhờ quá trình
chuyển mạch qua tụ được mắc song song.
Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng. Trong
thực tế, điện áp một chièu trên hai đầu dây quấn chỉ có thể được duy trì bằng từ thông biến thiên, do
đó cần có dòng điện từ hoá ban đầu.
Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một
cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp, nghĩa là kích mở một thyristor gần
thời điểm dẫn của thyristor khác, làm cho điện áp tải có trị số cực đại.
Nếu tải không phải là tải điện trở thì Khi tải là điện cảm , dòng điện tải tăng lên rồi lại giảm.
Khi thyristor T1 dẫn, dòng điện chảy từ c tới a, c dương so với a và tải nhận được dòng điện chảy từ
c tới a. Khi thyristor T2 mở để đổi chiều điện áp ra thì thyristor T1 bị khoá, nhưng dòng điện tải
không thể đổi chiều đột ngột, dòng điện sơ cấp cũng không thay đổiđiện áp và dòng điện có sự lệch
pha nhau. Sơ đồ được trình bày như hình 1.11.
Hình 1.11 : Sự làm việc với tải phản kháng
Khi T
1
bị khoá , chỉ có dòng điện chảy từ d đến c qua D
2
nạp trở lại nguồn một chiều. Trong
khi D
2
dẫn, thyristor T
2
bị khoá (cùng thời điểm chuyển mạch kết thúc), điện thế tại điểm d âm hơn so
với c. Vì vậy công suất từ tải được đưa trở lại nguồn một chiều.
Ta xét hình 1.11b : ở thời điểm t
2
dòng điện tải triệt tiêu,diode D
2
ngừng dẫn và thyristor T
2
trở lại dẫn dòng, làm ngược chiều dòng điện tải, tải trở thành nguồn điện. Để đảm bảo thyristor T
2
chắc chắn dẫn tại thời điểm t
2
, ta phải kích mở theo nguyên tắc chùm xung. Quá trình cũng diễn ra
tương tự cho thyristor T1.
Ta có thể phối hợp các diode ở đầu bên phía sơ cấp của máy biến áp, nhưng khi đó sẽ dẫn đến
tổn hao năng lượng chuyển mạch trong cuộn dây lọc nguồn. Sự phối hợp các diode ở gần đầu dây
quấn cho phép lấy lại năng lượng tích luỹ trong cuộn dây sau khi chuyển mạchvà do vậy làm giảm
được tổn hao trong mạch.
Ta xét tải có tính điện dung. Dạng điện áp được trình bày đơn giản như hình 1.11c, dòng điện
qua các diode tại các thời điểm t
3
và t
4
trước khi mở thyristor làm đổi chiều điện áp ra. Trong trường
hợp tổng quát sóng điện áp và dòng điện không phải là sin hoàn toàn, ta chỉ xét sóng điện áp cơ bản
trong trường hợp đơn giản.
b. Mạch nghịch lưu nửa cầu :
Sơ đồ mạch nghịch lưu nửa cầu có dạng như hình vẽ (hình 1.12)
Hình 1.12: Sơ đồ mạch nghịch lưu nửa cầu
Tải của mạch nghịch lưu thông thường mang tính cảm nên trong sơ đồ có thêm hai diode
ngược đấu song song với các Transistor tương ứng, nhằm ngăn ngừa quá điện áp lớn xuất hiện trên
các cực Transistor khi đóng cắt dòng tải.
Quá trình dẫn của các van bán dẫn có thể thấy đơn giản qua qua đồ thị dòng điện và điện áp
đầu ra của bộ nghịch lưu.
Ưu điểm của sơ đồ là cấu trúc và điều kiển đơn giản, tốn ít van bán dẫn.
Nhược điểm của sơ đồ này là khả năng đáp ứng được công suất lớn là không cao.
c. Mạch nghịch lưu cầu :
Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu có sơ độ động lực như hình vẽ (Hình 1.13)
Hình 1.13 : Bộ nghịch lưu cầu một pha
Nếu tải trong hình 1.13a là tải thuần trở, việc mồi lần lượt các thyristor T
1
, T
2
và T
3
, T
4
, điện
áp một chiều sẽ đặt lên hai cực của tải theo hai chiều tạo nên sóng hình chữ nhật. Trong trường hợp
tải điện cảm, dòng điện chậm pha hơn so với điện áp mặc dù dạng điện áp vẫn còn dạng hình chữ
nhật.
Dạng sóng biểu diễn trên hình 1.13c được vẽ trong trường hợp tải mang tính chất điện cảm.
Các thyristor được mồi bằng xung chùm liên tục trong khoảng 180
0
của điện áp ra của bộ nghịch lưu.
Cuối nửa chu kì dương của điện áp, dòng điện tải là dương và tăng theo hàm số mũ, khi thyristor T
3
và T
4
được mồi để khoá thyristor T
1
và T
2
thì điện áp đổi chiều, nhưng dòng điện tải không đổi chiều.
Mạch duy nhất để dòng điện tải chảy qua là qua các diode D
3
và D
4
. Nguồn điện một chiều được nối
với tải theo điện áp ngược với ban đầu và cung cấp nguồn cho tải, dòng điện tải tăng theo hàm mũ.
Vì các thyristor yêu cầu phải được mồi đúng lúc sau khi dòng điện tải triệt tiêu, nên cần phải đưa một
xung chùm vào cực điều khiển trong khoảng 180
0
dẫn của van.
Từ nguồn một chiều điện áp cố định ta cũng có thể điều chỉnh điện áp ra chữ nhật có những
khoảng điện áp bằng không (Hình 1.13c). Ta nhận được điện áp hình chữ nhật bằng cách kích mở các
thyristor T
1
và T
4
trước các thyristor T
2
và T
3
.Trên hình 1.13c biểu diễn góc
ϕ
là góc vượt trước
này. Hay nói cách khác chùm xung đưa vào T
1
và T
4
vượt trước một góc
ϕ
so với đưa vào T
2
và T
3
.
Dạng sóng trên hình 1.13c, ở thời điểm thyristor T
4
được kích mở để khoá T
1
, dòng điện tải
chảy qua diode D
4
nhưng vì thyristor T
2
còn dẫn nên dòng tải chảy qua D
4
và T
2
làm ngắn mạch tải và
triệt tiêu điện áp trên tải. Khi thyristor T
3
được kích mở và thyristor T
2
bị khoá thì dòng điện chảy qua
diode D
3
làm đổi chiều điện áp nối với nguồn. Các thyristor T
3
và T
4
bắt đầu dẫn ngay khi dòng điện
tải triệt tiêu. Các dòng điện qua thyristor và diode không còn giống nhau nữa.
Hình 1.14 ta có một cách khác dể nhận được một sóng gần hình chữ nhật có bề rông thay đổi
được bằng cách phối hợp (cộng) các đầu ra lệch pha của hai bộ nghịch lưu sóng hình chữ nhật. Bộ
nghịch lưu 2 lệch pha so với bộ nghịch lưu 1 một góc
ϕ
tạo nên điện áp chung có khoảng điện áp
bằng không có độ rộng bằng
ϕ
.
Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được bằng cách giảm điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch
lưu.
2.2.3.2. Bộ nghịch lưu ba pha :
Mạch công suất của nghịch lưu cầu ba pha sử dụng Thyristor được trình bày ở hình vẽ ( Hình
1.14), trong đó quá trình chuyển mạch và quá độ được bỏ qua trong trường hợp đơn giản. Dạng
sóng điện áp đầu ra được trình bày ở hình 1.15
Hình 1.14 : Bộ nghịch lưu cầu ba pha
Bộ nghịch lưu bao gồm ba nửa cầu, mỗi nửa cầu bao gồm hai Transistor cao và thấp, mỗi
Transistor sẽ đóng cắt biến đổi trong khoảng thời gian 180
0
. Mỗi nửa cầu được dịch pha 120
0
và dạng
sóng cân bằng của ba pha được trình bày trong hình 1.15. Nguồn DC có trung tính giả, mục đích của
trung tính giả là làm thuận lợi cho ta khi xét dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu, trong thực tế thì
trung tính này không có thật. Điện áp DC có được từ một chỉnh lưu cầu và một mạch lọc LC để có
một nguồn áp tương đối lý tưởng. Dạng sóng của điện áp ra. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch
lưu được xác định bởi dạng của mạch điện và phương pháp đóng cắt mà không phụ thuộc vào dạng
của tải. Dạng sóng ra này rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao, nhưng dòng điện thi tương đối bằng
phẳng hơn, điều này có được là do ảnh hưởng hiệu ứng lọc của tải.
Theo các dạng sóng trình bày trên hình 1.15b được vẽ trong trường hợp tải thuần trở. Dòng
điện dây có dạng gần hình chũ nhật, mỗi thyristor dẫn 1/3 chu kì dòng điện tải. Ta coi thyristor chỉ là
những khoá chuyển mạch, túc là ta bỏ qua quá độ trong các van bán dẫn.nguồn một chiều được đóng
mở trong sáu khoảng để tổng hợp nên đầu ra ba pha. Tần số đóng cắt của thyristor xác định tần số
điện áp ra.

Xem chi tiết: Các bộ nghịch lưu