Luận văn Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực và nghịch lưu đa cấp ứng dụng cho mạng điện nguồn phân tán

ới điện áp cao. Do đó sơ đồ linh hoạt hơn trong việc tạo điện áp cao và khả năng điều khiển chiều công suất. Quá trình này cho phép các linh kiện điện tử làm việc ở các giá trị điện áp thấp nhưng vẫn tạo ra được điện áp cao mong muốn của sơ đồ. Sự kết nối này đã tạo được bộ chuyển đổi với 07 mức điện áp trên các pha và sự liên hệ giữa các cổng để truyền công suất hai chiều mà không gây ra sự mất cân bằng công suất trên cả ba pha của các cổng. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Chương I: “Mạng điện phân tán và các bộ biến đổi công suất dùng cho kết nối nguồn phát phân tán” đã giải quyết được các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan về mạng điện phân tán trong tương lai. - Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng kết nối các nguồn phân tán. 15 CHƯƠNG II NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG 2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H-Bridge một pha Bộ nghịch lưu là bộ phận quan trọng trong các bộ biến đổi, có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn năng lượng một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng như: pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu hoặc lọc phẳng. Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu áp đa cấp kiểu H-Bridge nối tầng được minh họa trong hình 2.1. Hình 2. 1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge. Cấu trúc bộ nghịch lưu đa cấp nối tầng hình 2.1 được tạo thành từ một loạt các bộ biến đổi cầu một pha (thường gọi là cầu chữ H), mỗi cầu có một nguồn DC riêng biệt. Nghịch lưu này có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ một số nguồn DC riêng biệt. Hình 2.1 cho thấy cấu trúc của một pha của một nghịch lưu M-cấp, từ cầu chữ H nối tầng. Mỗi cầu chữ H có thể tạo ra ba cấp điện áp khác nhau trên đầu ra +Vdc, 0 và -Vdc bằng cách kết nối các nguồn DC với đầu ra AC bằng bốn trạng thái đóng cắt có thể của bốn van bán dẫn. Điện áp đầu ra của nghịch lưu M-cấp là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của các mạch cầu. Nếu như có N cầu trên một mạch thì sẽ có M = 2N + 1 cấp điện áp. Trong luận văn này chỉ áp dụng sơ đồ nghịch lưu gồm ba cầu và tạo ra dạng điện áp là M=2*3+1=7 mức như hình 2.1. E E E Zt 16 Ưu điểm của sơ đồ: - Điều khiển đơn giản vì các biến đổi có cùng một cấu trúc. - Giảm điện áp đặt lên các van bán dẫn. - Cải thiện chất lượng sóng hài trên điện áp ra. - Tăng khả năng của các bộ biến đổi công suất theo xu hướng công suất lớn, chịu được điện áp cao, dòng lớn, tần số cao. Mục đích: làm cho các phần tử bán dẫn chịu điện áp thấp hơn nhiều so với điện áp ra phía tải nên giá thành hạ. Nghịch lưu nguồn áp cầu một pha 3 mức Trong sơ đồ nghịch lưu cầu chữ H một pha gồm bốn van IGBT có diode mắc song song ngược như hình 2.2. Trong quá trình hoạt động, các IGBT trên cùng một nhánh không được mở đồng thời, vì gây ra hiện tượng ngắn mạch nguồn. Hình 2. 2 Sơ đồ một cầu H-Bridge. Các trạng thái khóa và mức làm việc của sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu ba mức một pha được thể hiện trong bảng sau: 17 Trạng thái Van UAN UBN UAB = UAN – UBN S1 S2 S3 S4 1 1 0 0 1 UDC 0 + UDC 2 0 1 1 0 0 UDC - UDC 3 1 0 1 0 UDC UDC 0 4 0 1 0 1 0 0 0 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng cầu H-Bridge Phương pháp này sử dụng điện áp điều khiển (sóng điều khiển) so sánh với sóng mang tam giác có chu kỳ cố định Ts (thường gọi là chu kỳ lấy mẫu). Đầu ra của bộ so sánh sẽ là dãy xung vuông có độ rộng thay đổi tùy theo giá trị của tín hiệu đặt tx: 0 x st T  và hệ thống xung vuông này được dùng để điều khiển quá trình đóng mở các van của sơ đồ. Trong những khoảng tín hiệu chuẩn cao hơn tín hiệu răng cưa, van được mở để đưa điện áp ra tải, trong những khoảng tín hiệu chuẩn thấp hơn tín hiệu răng cưa van khóa lại để điện áp ra bằng không. Kỹ thuật này có ưu điểm là tương đối đơn giản có và dễ thực hiện. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM được thực hiện như hình 2.3: Hình 2. 3 Đồ thị mô tả phương pháp PWM. 18 Với Ui không đổi, còn tín hiệu đặt thay đổi theo hàm sin tần số thấp, có biên độ Ur,m : e , sin( )r f r mu U t (2.1) 2 ,f f  là tần số sóng sin chuẩn. Tín hiệu răng cưa có dạng tuyến tính, biên độ bằng Us,m : , ( ), 0,1,2...s s m su U t kT k   (2.2) Tại chu kỳ thứ k của tín hiệu răng cưa, tx,k được xác định bằng: *,x k k st t kT  Trong đó: , * * ,( ) sin( ) s m k s r m k s U t kT U t T   , nghĩa là *kt là thời điểm tín hiệu chuẩn bằng tín hiệu xung răng cưa ở chu kỳ cắt mẫu thứ k. Do đó ta có: , * * , , sin( ) sin( ) r m x k s k s k s m U t T t T t U     (2.3) , , r m s m U U   là hệ số biến điệu. 0 1  Vậy giá trị trung bình của tín hiệu ra trong chu kỳ cắt mẫu thứ k là: ( 1) , * , sin( ) s s k T x k o k o i k skT t U u dt U t T     (2.4) Có thể thấy rằng giá trị trung bình của tín hiệu ra sau mỗi chu kỳ cắt mẫu bám theo dạng của tín hiệu sin chuẩn mong muốn. Nếu phân tích ra chuỗi Furie có thể thấy rằng dạng điện áp trung bình chứa thành phần sóng hài cơ bản như sóng sin chuẩn. Nếu tần số cắt mẫu fs lớn hơn nhiều lần tần số f của sóng sin mong muốn thì các tần số sóng hài bậc cao có thể dễ dàng bị loại bỏ nhờ các mạch lọc đơn giản hoặc dưới tác dụng của điện cảm tải. 19 2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H-Bridge Hình 2. 4 Sơ đồ quá trình tạo xung vuông hai bậc từ sóng sin và xung tam giác. Điều chế hai cấp điện áp có tín hiệu điện áp ra đơn giản nhưng điện áp sẽ có bước nhảy tương đối lớn vì vậy sẽ làm cho dòng điện đập mạch nhiều hơn nên dạng dòng điện sẽ không được như mong muốn. 2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H-Bridge Điện áp được tạo riêng cho nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm, gồm hai trường hợp như sau: Trường hợp 1: Sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha nhau 180o. Hình 2. 5 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha nhau 180o. Để tạo được điện áp dùng hai sóng sin chuẩn cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 180o để so sánh với một xung tam giác có chu kỳ cố định. Quá trình so sánh này sẽ 20 tạo ra được các xung điện áp ra ở nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm ứng với mỗi sóng sin chuẩn Trường hợp 2: Sử dụng hai sóng tam giác lệch pha nhau 180o. Hình 2. 6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180o. Trường hợp này để tạo được điện áp ra ta sử dụng một sóng sin chuẩn so sánh với hai sóng tam giác có cùng biên độ, tần số và lệch pha nhau 180o. Tương tự như trường hợp trên quá trình so sánh này sẽ tạo ra được các xung điện áp ra ở nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm ứng với mỗi dạng xung tam giác. 2.2.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM). Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một tập hợp sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin). Kết quả là dạng điện áp ra có nhiều mức khác nhau. Đối với bộ nghịch lưu áp m mức, số sóng mang được sử dụng là (m-1). Chúng có tần số fc và cùng biên độ đỉnh – đỉnh Acr. Sóng điều khiển (hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh – đỉnh bằng Am và tần số fm và dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống (m-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó, sóng mang sẽ bị khóa kích. Quá trình này thể hiện như hình 2.7. 21 Hình 2. 7 Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang. Với điều khiển nghịch lưu áp ba pha thì hình dạng sóng điều chế được thể hiện như hình 2.8. Hình 2. 8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha.  Phân tích quá trình điều chế đa sóng mang trên một pha. Xét trường hợp 1: Sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha nhau 180o. 22 Hình 2. 9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha nhau 180o Xét trường hợp 2: Sử dụng hai sóng tam giác lệch pha nhau 180o. Hình 2. 10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha nhau 180o Từ các trường hợp trên ta thấy rằng khi số bậc của mô hình tăng lên thì quá trình điều chế được thực hiện với nhiều các sóng mang tam giác hơn khi đó tín hiệu cần điều khiển sẽ có được hình dạng trơn tru hơn. Tuy nhiên để thực hiện được điều này thì quá trình xây dựng thuật toán điều khiển sẽ phức tạp hơn. 23 Hình 2. 11 Hình dạng của tín hiệu điều chế bằng phương pháp đa sóng mang trong nghịch lưu đa mức. Xét pha a của bộ nghịch lưu đa mức với nhiệm vụ điều khiển quá trình đóng mở của các van Sa1, Sa2, Sa3, Sa4 trên một phần tử nghịch lưu, được thiết lập trên cơ sở so sánh sóng điều khiển Um của pha a và sóng mang Ucr (điều khiển tín hiệu xung cho cặp van Sa1 và Sa3) và sóng mang up2 (điều khiển tín hiệu xung cho cặp van Sa2 và Sa4). Cụ thể là: Um > Ucr suy ra (Sa1=1; Sa3=0). Um < Ucr suy ra (Sa1=0; Sa3=1) Um > Ucr suy ra (Sa2=1; Sa4=0) Um < Ucr suy ra (Sa2=0; Sa4=1) Từ giản đồ thiết lấp trên, điện áp ra được xác định cho pha a như sau: 1 2 0 2 3 3 4 1 2 0 1 1 2 a a a a a a a U Khi S S u Khi S S U Khi S S              (2.5) Từ đó sử dụng các hệ thức trên để xác định điện áp tải. Trong đó, chỉ số biên độ ma và tỉ lệ tần số mf trong bộ nghịch lưu đa mức được xác định như sau: 24  1 m a c c f m m A m A f m f    (2.6) Trong đó : Am : Biên độ của tín hiệu điều khiển. Ac : Biên độ của tín hiệu xung tam giác. fc : Tần số của tín hiệu điều khiển. fm : Tần số của tín hiệu xung tam giác. Hệ số điều chế trong sơ đồ phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu điều khiển và biên độ của các xung tam giác. Điều này có nghĩa là hệ số điều chế phụ thuộc vào giá trị điện áp phía một chiều. Vì vậy khi điện áp phía một chiều không ổn định thì hệ số điều chế cũng thay đổi theo. Trường hợp hệ số điều biên thấp: Bộ nghịch lưu sẽ không sử dụng hết tất cả các sóng mang tam giác trong quá trình điều chế như hình 2.12. Vì vậy gây sự lãng phí trong quá trình thiết kể bộ điều khiển. Lúc này có thể bộ nghịch lưu sẽ hoạt động với phương pháp điều chế như sự điều chế PWM thông thường. Hình 2. 12 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế thấp. Trường hợp hệ số điều biên cao: Tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lưu sẽ vượt quá ngưỡng của các sóng mang tam giác như hình 2.13. Khi đó bộ điều khiển sẽ không điều chế được toàn phần của các sóng cần điều chế. Vì vậy tín hiệu ở ngõ ra sẽ không được như mong muốn. Để kiểm soát được vấn đề này cần phải xây dựng một bộ điều khiển phức tạp hơn. 25 Hình 2. 13 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế cao. Nhận xét: Từ phân tích các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu nguồn áp như trên ta thấy rằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM có nhiều ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Vì vậy trong phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu đa mức dùng cầu H nối tầng ta chọn phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để làm bộ điều chế cho sơ đồ nghịch lưu. Và thay vì sử dụng hai sóng hình sin ngược nhau để so sánh với một xung tam giác thì trong luận văn này tôi sử dụng hai xung răng cưa ngược nhau để so sánh với một tín hiệu sin chuẩn. 2.3 Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng một pha 2.3.1 Mô phỏng nghịch lưu một mức dùng cầu H-Bridge một pha a) Cấu trúc bộ điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu một pha Hình 2. 14 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha một mức. Sơ đồ gồm một bộ tạo tín hiệu sin chuẩn và một bộ tạo tín hiệu xung răng cưa. Tín hiệu sin chuẩn và tín hiệu xung răng cưa được so sánh với nhau để tạo hệ thống xung vuông để có độ rộng thay đổi . Các xung vuông này được đưa vào khâu tạo thời gian trễ để tránh dòng đâm xuyên trên các van của sơ nghịch lưu, sau đó được đưa đi đóng cắt các van của bộ nghịch lưu. 26 b) Mô hình mô phỏng Hình 2. 15 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một pha một mức. c) Kết quả mô phỏng Hình 2. 16 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu một pha Hình 2. 17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha Nhận xét: Dòng điện và điện áp phía xoay chiều có dạng sin chuẩn với tần số không đổi. DC-AC PWM single phase converter . fs=10kHz, S=7.5kVA, Uin=400VDC, Uout=220VAC, ILm=20A, 50Hz. Discrete, Ts = 1e-006 s. powergui v + - Voltage Sine Wave R 15 Signal(s) Pulses PWM 10kHz OutputL 3.5 mH i + - IL1g A B + - H Bridge DC 400V C1 50uF IL Load V 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Amature Current [A] Time [s] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Amature Current [A] Time [s] 27 2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức dùng cầu H-Bridge một pha a) Cấu trúc bộ điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu 7 mức một pha Hình 2. 18 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha 7 mức. b) Mô hình mô phỏng Hình 2. 19 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức một pha dùng cầu H-Bridge nối tầng. DC/AC Half-Bridge Multilevel Inverter 7 levels Discrete, Ts = 5e-006 s. Vdc2 Vdc1 Vdc v + - V4 v + - V3 v + - V2 v + - V1 Sine Wave Reference Scope2 Scope1 i + - I1 g A B + - H Bridge2 g A B + - H Bridge1 g A B + - H Bridge Sine Ref . HB Gates HB Gates1 HB Gates2 7 levels H bridge PWM controller 1 ohm 5 mH I load V inv erter 28 Hình 2. 20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PWM 7 mức c) Kết quả mô phỏng Hình 2. 21 Hình điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha Hình 2. 22 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha Nhận xét: Dòng điện phía xoay chiều bộ nghịch lưu có dạng sin chuẩn với tần số không đổi. Điện áp phía xoay chiều có số bậc là 7 được tổng hợp từ các giá trị điện áp ra trên mỗi cầu H-Bridge. 3 HB gates2 2 HB gates1 1 HB gates Sine Wave2 Sine Wave1 Sine Wave Relay2 Relay1 Relay > > > > > > NOT NOT NOT NOT NOT NOT 1 s Integrator2 1 s Integrator1 1 s Integrator -1 -1 -1 Fo=50Hz Fo=50Hz Fo=50Hz 1 Sin ref 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -600 -400 -200 0 200 400 600 Amature Current [A] Time [s] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Amature Current [A] Time [s] 29 2.4 Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng ba pha 2.4.1 Mô phỏng nghịch lưu ba pha một mức dùng cầu H-Bridge a) Cấu trúc bộ điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu một mức ba pha Hình 2. 23 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha một mức. b) Mô hình mô phỏng Hình 2. 24 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một mức ba pha dùng cầu H-Bridge. Three-Phase Two-Level PWM Converters Use the Powergui FFT tool to display the spectrum of Scope signals stored in the two'psb3phPWMx_str' structures The 'Model initialization function' defined in the Model Properties automatically sets the sample time Ts to 1/60/3240 = 5.14e-6 s Discrete, Ts = 5.144e-006 s. Vdc = 600 V v + - Vab_load1 v + - Vab-inv1 g A B C + - Universal Bridge 3 arms A B C A B C Three-Phase Parallel RLC Branch Scope1 ? Double click here for info UrefPulses Discrete PWM Generator 6 pulses abc 3-phase Programmable Source A B C 30 c) Kết quả mô phỏng Hình 2. 25 Hình dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha Hình 2. 26 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu ba pha. 2.4.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng a) Cấu trúc bộ điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu 7 mức ba pha Cấu trúc bộ điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu 7 mức ba pha 0 0.05 0.1 0.15 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 Amature Current [A] Time [s] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 -300 -200 -100 0 100 200 300 Amature Current [A] Time [s] 31 Hình 2. 27 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha 7 mức ba pha. b) Mô hình mô phỏng Hình 2. 28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng Three phases DC/AC Half-Bridge Multilevel Inverter 7 levels Discrete, Ts = 5e-006 s. Vabc Iabc A B C a b c V-I Measurement Scope1 A B C A B C RL Branch abc Discrete 3-phase Programmable Source i + - Current Measurement Sine Ref . Conn1 Conn2 7 levels H Bridge Multilevel Cell2 Sine Ref . Conn1 Conn2 7 levels H Bridge Multilevel Cell1 Sine Ref . Conn1 Conn2 7 levels H Bridge Multilevel Cell 32 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha hình 2.28 được xây dựng từ ba mô hình nghịch lưu 7 mức một pha hình 2.19. Vì vậy thuật toán điều khiển và phương pháp điều chế cho mô hình 2.28 trên các pha tương tự như hình 2.19. Tuy nhiên đây là mô hình ba pha nên tín hiệu sin chuẩn để điều chỉnh các pha được điều khiển lệch pha nhau các góc 120o. c) Kết quả mô phỏng Hình 2. 29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha Hình 2. 30 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -150 -100 -50 0 50 100 150 Amature Current [A] Time [s] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -600 -400 -200 0 200 400 600 Amature Current [A] Time [s] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -600 -400 -200 0 200 400 600 Amature Current [A] Time [s] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -600 -400 -200 0 200 400 600 Amature Current [A] Time [s] 33 Nhận xét: Hình dạng dòng điện trên cả ba pha phía xoay chiều có dạng sin chuẩn sau 0,01s. Các tín hiệu điện áp đa mức đầu ra các pha phía xoay chiều có dạng đa mức và ổn định, không có hiện tượng quá áp sau 0,01s. KẾT LUẬN CHƯƠNG II Chương II: “Nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng” đã giải quyết được các vấn đề sau: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H- Bridge - Nghiên cứu phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng cầu H-Bridge. - Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge một pha, ba pha trên phần mềm Matlab. Từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của bộ nghịch lưu đa mức trong việc kết nối các nguồn phát phân tán. 34 CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H -BRIDGE NỐI TẦNG 3.1 Chỉnh lưu tích cực một pha Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều. Với yêu cầu là điện áp ra phía một chiều có giá trị không đổi và có biên độ cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào, dòng điện qua cuộn cảm L hình sin và hệ số os 1c   . Chỉnh lưu tích cực được cấu tạo dựa trên bộ nghịch lưu nguồn dòng, trong đó phía một chiều làm việc ở chế độ nguồn dòng, vì có tính chất giống như bộ biến đổi DC-DC giảm áp, điện áp phía DC nhỏ hơn giá trị biên độ của điện áp phía AC. Ở phía xoay chiều dòng điện có dạng là những xung dòng gián đoạn, về nguyên tắc có thể kết nối trực tiếp với phía lưới xoay chiều. Thành phần sóng hài cơ bản của dòng điện cũng được điều chế để có thể trùng pha với điện áp lưới, nhờ đó sơ đồ cũng có hệ số công suất gần bằng một. Chỉnh lưu là bộ biến đổi công suất được sử dụng rộng rãi trong thực tế ở các hệ thống sử dụng năng lượng một chiều. Sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha như hình 3.1. Hình 3. 1 Sơ đồ chỉnh lưu một pha. Sơ đồ gồm các van V1, V2,V3, V4 có thể là các IGBT hoặc các van điều khiển hoàn toàn khác như MOSFET hay GTO được mắc nối tiếp với các điốt song song ngược. Giữa đầu ra xoay chiều của nghịch lưu iu với điện áp nguồn 1u có điện cảm L. Phía một chiều có tụ C có giá trị đủ lớn để san bằng điện áp DCu và tụ C được mắc song song với điện trở R. Sơ đồ này có thể làm việc trong cả hai chế độ là chỉnh lưu và nghịch lưu. 35 Vai trò của điện cảm L trong mạch là đảm bảo độ đập mạch cho phép trên dạng sóng của dòng điện Li . Khi đó dòng Li đập mạch là do điện áp 𝑢𝑖 có dạng xung điện áp biên độ +/-UDC với chu kỳ lặp lại ST ( ST là chu kỳ đóng cắt của quá trình điều chế). Trở kháng LX L là phần tử hạn chế dòng điện. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của điện trở thuần và chỉ xét thành phần sóng hài cơ bản thì phía lưới có tần số 1 , phía nghịch lưu có tần số i . Sơ đồ hình 3.1 có mạch điện tương đương như trên hình 3.2a. Hình 3. 2 Mạch điện tương đương (a) và biểu đồ vector (b). Nếu tần số 1 i  dòng điện qua cuộn cảm L sẽ chứa nhiều sóng hài bậc cao. Nếu 1 i    dòng LI sẽ có dạng sin và cùng tần số với điện áp. Khi đó có thể mô tả mạch điện tương đương trên hình 3.2a bằng biểu đồ vector như trên hình 3.2b. Nếu xét ở tần số sóng cơ bản đồ thị vector trên hình 3.2b thể hiện mối quan hệ vector _ _ _ 1i LU U U  . Trên đồ thị cũng thể hiện hai trường hợp. Thứ nhất: Khi dòng qua cuộn cảm cùng pha với điện áp lưới. Thứ hai: Khi dòng có cùng giá trị nhưng khác pha so với điện áp thì độ dài của vector điện áp đầu ra nghịch lưu iU phải có giá trị lớn hơn độ dài của vector điện áp lưới 1U . Suy ra điện áp phía một chiều DCu phải có giá trị lớn hơn giá trị biên độ của điện áp xoay chiều phía lưới 1.mU . Thực tế DCu được điều khiển giữ ở một giá trị không đổi, nên đây là một điều kiện cho phép xác định giá trị điện cảm L cần thiết. Điều kiện thứ hai để xác định điện cảm L là độ đập mạch cho phép của dòng Li . Do quá trình điều chế, điện áp đầu vào nghịch lưu iu sẽ có dạng các xung điện áp với biên độ DCu , dẫn đến dòng điện qua cuộn cảm L có dạng đập mạch quanh dạng sóng 36 hình sin. Độ đập mạch phụ thuộc tần số đóng cắt của các van V1, V2, V3, V4 (phụ thuộc vào tần số lấy mẫu sf , và chính giá trị điện cảm L).  Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Giả sử điện áp xoay chiều đầu vào có dạng sin: 1 1 1( ) m mu U sin t U sin   (3.1) Trong đó: 1 12 mU U : Giá trị biên độ. 1U : là giá trị hiệu dụng. t  : góc pha. 2 f  : tần số góc. f : tần số điện áp xoay chiều. Khi các IGBT V1, V2, V3, V4 không được điều khiển mở, các điôt ngược tạo nên một cầu chỉnh lưu cầu thông thường. Giả thiết rằng tụ một chiều C có giá trị đủ lớn nên điện áp một chiều DCu thay đổi chậm, có thể coi rằng nsDC DCu U co t  . Quá trình đóng cắt các van như sau: Trường hợp 1: Khi mở van V1, V4. Chiều dòng điện có dạng như hình 3.3. Điện áp nghịch lưu i DCu U , phương trình cân bằng điện áp có dạng: 1 0 L L DC di u L u U dt     (3.2) 37 Hình 3. 3 Chiều dòng điện khi V1, V4 được điều khiển mở, . Trường hợp 2: Khi mở V2, V3. Chiều dòng điện như hình 3.4. Điện áp nghịch lưu i DCu U , phương trình cân bằng điện áp có dạng: 1 0 L L DC di u L u U dt     (3.3) Hình 3. 4 Chiều dòng điện khi V2, V3 được điều khiển mở, iL> 0. Giả sử chiều dòng điện 𝑖 như trên hình 3.1, quy ước là iL> 0. Khi cặp van V1, V4 được điều khiển mở, do chiều dòng điện nên chỉ có điôt D1, D4 (song song ngược với V1, V4) dẫn dòng như biểu diễn trên hình 3.3. Dòng điện có xu hướng giảm, truyền năng lượng từ phía nguồn 1u cho phía một chiều. Khi V2, V3 mở điện áp ngược áp đặt lên các điôt D1, D4 làm các điôt khóa lại, dòng điện chuyển qua các van V2, V3 dẫn dòng theo chiều thuận như biểu diễn trên hình 3.4. Dòng Li vẫn giữ nguyên chiều cũ dẫn đến dòng phía một chiều DCi đảo chiều. Do điện áp phía một chiều có cực tính hỗ trợ dòng điện nên dòng có xu hướng tăng lên, tương ứng với quá trình nạp năng lượng vào cuộn cảm L. Quá trình này đã làm cho điện áp phía một chiều có biên độ cao hơn điện áp xoay chiều như mong muốn. 0Li  38 3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha Dạng ba pha của sơ đồ chỉnh lưu có điện áp một chiều cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào cho trên hình 3.5. Sơ đồ sử dụng mạch cầu ba pha IGBT cùng các điôt ngược như mạch lực của nghịch lưu ba pha. Để tránh nhầm lẫn với các thành phần dòng điện, điện áp theo các trục d, q, phía một chiều dùng các ký hiệu uDC, iDC cho điện áp và dòng điện. Phía xoay chiều nối với hệ thống điện áp ba pha usA, usB, usC qua các điện cảm L. Khi các van IGBT không được điều khiển mở, các điôt ngược sẽ tạo nên một chỉnh lưu không điều khiển với điện áp một chiều bằng: 0 3 6 2,34d s sU U U    (3.4) Khi các van V1, V2, , V6 hoạt động trong chế độ điều chế, tương tự như ở sơ đồ một pha, điện áp phía một chiều phải cao hơn giá trị biên độ của điện áp dây xoay chiều đầu vào. ,2 6 m DC s l sU U U  Với , m s lU U là giá trị biên độ điện áp dây phía xoay chiều. Sơ đồ trên hình 3.5 có thể làm việc trong chế độ chỉnh lưu, nghĩa là biến đổi năng lượng từ phía xoay chiều sang phía một chiều, nhưng cũng có thể làm việc trong chế độ nghịch lưu, chuyển năng lượng từ phía một chiều sang phía xoay chiều. Hình 3. 5 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha. Để dò