Phân tích vấn đề tồn tại của chỉnh lưu điot và thyristor

MỤC LỤC Trang PhầnI. Phõn tớch cỏc vấn đề tồn tại của CL dựng diode và thyristor .... 1 I. giới thiệu chung về CL diot thyrist......................................................... 2 II. Những tham số để đỏnh giỏ đối với lưúi ........................................... 3 III. Cỏc biện phỏp khắc phục .................................................................... 4 IV. Vấn đề trao đổi năng lượng giưa lưới và tải ....................................... 5 PhầnII. Phõn tớch nguyờn lý chỉnh lưu PWM I. Cấu trỳc mạch lực của chỉnh lưu PWM .............................................. 6 II. Vấn đề về giảm súng điều hoà bậc cao ............................................... 7 III. Cỏc cấu trỳc điều khiển CL PWM ............................................ 8 IV. Mụ phỏng bằng MATLAB ............................................................. 9 NHIỆM VỤ THỰC TẬP: Nghiờn cứu xõy dựng chỉnh lưu PWM tại phũng thớ nghiệm ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP: Phũng thớ nghiệm trọng điểm TĐH Trung tõm Cụng nghệ cao NỘI DUNG THỰC HIỆN: - Phõn tớch cỏc vấn đề tồn tại của chỉnh lưu dựng Diode và Thyristor. - Phõn tớch nguyờn lý chỉnh lưu PWM. - Mụ phỏng. PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT VÀ THYRISTOR I.GIỚI THỆU CHUNG Ngày nay cỏc bộ biến đổi dựng Diot và Thyristor đúng một vai trũ quan trọng nhất trong lĩnh vưc ky thuật điện tử cụng suất núi riờng và hệ thống điện núi chung. Một bộ chỉnh lưu Diot Thyristor cú khả năng biến dũng xoay chiều 50/60Hz thành dũng 1 chiều,dể biến dũng 1 chiều thành xoay chiều ta phải sư dụng 1 bộ chỉnh lưu đặc biệt khỏc gọi là bộ nghịch lưu. Hiệu suất của cỏc bộ chỉnh lưu này rất cao lờn đến 98% do tổn thất trờn cỏc thiết bị nhỏ,tổn thất chuyển mạch khụng đỏng kể. Ứng dụng của cỏc bộ chỉnh lưu này rất rộng: Sử dụng trong cỏc bộ nguồn cỡ nhỏ như cỏc bộ nguồn trong TV mỏy tớnh, UPS... Hay cỏc bộ nguồn cỡ lớn trong cỏc phương tiện giao thụng như tàu điện, xe điện. Sử dụng trong quỏ trỡnh điện hoỏ như mạ, tạo điện cực trong điện phõn,bộ nạp ắc quy. Dựng trong cỏc hệ truyền động 1 chiều Cấp điện cho cỏc bộ nghịch lưu để điều khiển cho động cơ 1 XC. Làm giao diện cho cỏc hệ thống sử dụng điện khỏc… II.CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CỦA CL ĐỐI VỚI LƯỚI Hỡnh 1.1 1 Hệ số mộo DF (1.1) Đối vớ súng vuụng: (1.2) 2 Hệ số cụng suất thay thế DPF Hỡnh 1.2 3 Hệ số cụng suất PF Từ chuỗi furier của súng dũng điện trờn tải ta cú thể xỏc đeịnh những chỉ số RF,DPF ,PF như là cỏc hàm của Id được mụ tả trong hỡnh 1.1 Đối vơi những tải cụng suất lớn thỡ RF sẽ tăng cũn PF giảm nghĩa là chất lượng điện năng sẽ xấu đi 4.hệ số mộo RF: Bộ biến đổi Vựng cụng suất ρmax [MW] Độ mộo cho phộp σv[p.j] Tỏc dụng lờn lưới m Súngđiềuhoà bậc cao được khảo sỏt Pmin vmax max Điện ỏp lưới U1[KV] Uk= 0,05 Uk=0,1 Uk=0,15 Rất nhỏ 0,01 đến 0,25 0,04 6 5 13 40 35 30 0,38, 0,5, 0,66 12 11 13 25 20 15 Nhỏ 0,25 đến 1 0,03 6 5 13 55 50 40 6; 10; 22 12 11 13 35 25 15 Trung bỡnh 1 đến 10 0,02 6 5 25 90 70 60 6; 10; 22; 110 12 11 25 50 35 25 Lớn Trờn 10 0,01 6 5 25 180 140 120 110 12 11 25 105 70 50 Bảng1: chỉ tiờu độ mộo điện ỏp lưới III. CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Để giải quyết vấn đề súng điều hoà bậc cao, người ta sử dụng bộ lọc. Bộ lọc được thiết lập thành nhúm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nú sẽ ngắn mạch dũng điều hoà bậc cao.(Hỡnh 1.8.a) Bộ lọc cũng cú thể bố trớ một bộ lọc giải rộng.(Hỡnh 1.8.b) a) b) Hỡnh 1.3 Để khắc phục hệ số cosφ thấp ta dựng cỏc bộ bự cosφ IV.VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI CễNG SUẤT VỚI LƯỚI VÀ TẢI Chỉnh lưu dựng diode, thyristor chỉ cho phộp năng lượng đi theo 1 chiều duy nhất. Trong truyền động dựng biến tần cho động cơ xoay chiều. khi năng lượng của động cơ dư thừa( trong quỏ trỡnh hóm động năng, đảo chiều quay, hay non tải…) năng lương bị dồn ngược lại phớa XC,nhưng năng lượng khụng thể trả về lưới do CL điot chỉ cho phộp năng lượng chảy theo 1 chiều duy nhất. Vỡ vậy ta phải dập năng lượng bằng điện trở mắc ở mạch một chiều. Khi cụng suất động cơ tăng lờn thỡ điện trở cỳng tăng lờn điều này gõy hao phớ năng lượng và khụng ỏp dụng cho những ĐC cú ccụng suất rất lớn được.Cỏch khỏc là ta phải mắc thờm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng lại lưới.Cỏch khắc phục này làm tăng gấp đụi số van và bộ điều khiển sẽ rất phức tạp.Mặt khỏc khi bộ CL thyristor hoạt động ở chế độ NL gúc mở van sẽ lớn hơn π/2 làm cho hệ số cosφ tụt thấp. a) Lưúi b) Hỡnh 1.4. Cỏc biện phỏp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều b. Mắc thờm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới Trong trường hợp mắc điện trở, nếu cụng suất cao thỡ đũi hỏi điện trở lớn nờn sẽ khú khăn trong việc chế tạo và hoạt động. Trong trường hợp mắc thờm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới sẽ gõy tốn kộm. Từ đú ta thấy cần phải tỡm ra một loại chỉnh lưu mới cú thể đỏp ứng được cỏc yờu cầu: Chứa ớt súng điều hoà bậc cao trong lưới. Hệ số cụng suất cao. Cú thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. PHẦN II: CHỈNH LƯU PWM Bộ chỉnh lưu PWM cú những ưu điểm so với chỉnh lưu dựng diode và thyristor: Tạo ra ớt súng điều hoà bậc cao nờn dũng điện cú dạng hỡnh sin hơn. Hệ số cụng suất cos =1. Cú thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. I. SƠ ĐỒ NGUYấN Lí CL PWM Hỡnh 2.1 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho cụng suất chảy 2 chiều L-filter là bộ lọc thụng thường nhất được sủ dụng.ta cũn cú thể dựng bộ lọc LCL cú nhiều ưu điểm hơn do tần số cộng hưởng giảm loại bỏ được điện ỏp nhiễu trong mạch.Tỏc dụng của L-filter là tớch trữ điện năng Chỉnh lưu cầu cú cấu tạo như 1 bộ nghịch lưu thụng thường gồm 6 Tranzito mắc song song ngược vơi 6 diot. Ở điện ỏp thấp ta thường dựng tranzito IGBT với tần số đúng mở từ vài KHz đến vài chục KHz. Ở điện ỏp cao ta sử dụng tranzito GTO hoặc IGCT tấn ssố đúng cắt vài trăm HZ DC-link gồm tụ lọc C 1 chiều.Bao gồm điện ỏp và dũng điện 1 chiều cú tỏc dụng tỏch riờng tải vúi bộ chỉnh lưu và cú tỏc dụng lọc điện ỏp 1 chiều trước khi được đưa đến tải tiờu thụ. Cỏc van tranzito được điều khiển thớch hợp để tạo ra điện ỏp pha U1a,U1b,U1c cỏc điện ỏp này bao gồm điện ỏp cơ bản và điện ỏp điều hoà bặc cao.Thành phần điều hoà của Ufa bị ảnh hưởng rất lớn bởi kĩ thuật điều biến để điều khiển tranzito.Quan hệ giữa biờn độ và pha của điện ỏp pha cơ bản trờn lưới U2a, U2b, U2c với dũng điện cơ bản trờn L i1a, i1b, i1c khụng đỏng kể.Vẫn tồn tại dũng điều hoà được tạo ra bởi điện ỏp điều hoà tương ứng của bộ CL PWM nhưng về cơ bản độ lớn của súng điều hoà đó bị giảm đi rất nhiều do trở khỏng Lcủa bộ lọc L-filter.Trở khỏng này tăng lờn khi tần số súng điều hoà tăng Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động: Vdcmin>VCL tự nhiờn (chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu thyristor với gúc mở α=0) Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm khỏng thấp sẽ làm cho dũng điện nhấp nhụ lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở khỏng đường dõy. Cảm khỏng cú giỏ trị lớn làm giảm độ nhấp nhụ dũng điện, nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện ỏp rơi trờn cuộn cảm cú ảnh hưởng tới dũng điện nguồn. Điện ỏp rơi này được điều chỉnh bởi điện ỏp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giỏ trị lớn nhất được giới hạn bởi điện ỏp 1 chiều. Do đú, một dũng điện lớn (năng lượng lớn) qua cảm khỏng cũng cần điện ỏp một chiều lớn hay cảm khỏng nhỏ. Ta cú độ tự cảm lớn nhất được xỏc định bởi cụng thức: L< (2.1) Từ sơ đồ nghuyờn lý ta cú giản đồ thay thế như sau: L và R là điện cảm của lưới, UL là điện ỏp lưới và US là điện ỏp bộ chuyển đổi cú thể điều khiển được từ phớa 1 chiều. Biờn độ Us phụ thuộc vào chỉ số điều chế và cấp điện ỏp 1 chiều Phõn tớch giản đồ vector Hỡnh 2.2 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM a) Giản đồ pha thụng thường b) Chỉnh lưu tại hệ số cống suất bằng 1 c) Hóm tỏi sinh tại hệ số cụng suất = 1 Giải thớch: Từ giản đồ vector ta thấy, bỡnh thường khi chưa điều khiển gúc ε, IL và UL sẽ lệch nhau một gúc φ nào đú. Ở chế độ chỉnh lưu, ta điều khiển gúc ε để cú được IL và UL trựng pha nờn thu được cosφ = 1. Ở chế độ hóm tỏi sinh, ta cú thể điều khiển gúc ε để cos được IL và UL ngược pha nờn thu được cosφ =1, đồng thời IL và UL là ngược chiều nhau nờn dũng chảy ngược về lưới.Ta điều khiển được UL bằng cỏch cho thờm điện cảm L của L-fillter vào mạch.cỏc cuộn cảm này tạo ra điện ỏp rơi (jwLIL).Cũn khi điện ỏp trờn tụ lớn IL sẽ đổi dấu vỡ thế năng lượng cú thể trả được về lưới nhưng IL và UL vẫn ngược pha thoả món đk cosφ = 1 II.VẤN ĐỀ GIẢM SểNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện ỏp phớa xoay chiều của chỉnh lưu PWM cú thể điều khiển được cả biờn độ và pha để thu được dũng điện lưới hỡnh sin với hệ số cụng suất bằng 1. Thờm vào đú, chỉnh lưu PWM cung cấp điện ỏp 1 chiều ổn định và hoạt động như 1 bộ điều hoà tớch cực lưới điện dựng để bự súng điều hoà và cụng suất phản khỏng tại cỏc điểm chồng chộo nhau trong mạng phõn bố.Cỏc bộ lọc L-fillter cú tỏc dụng lọc cỏc súng điều hoà bậc cao trước khi trả điện năng về lưới, khi súng điều hoà bậc càng cao thỡ tần số của chỳng càng lớn vậy trở khỏng đối với chỳng cũng tăng lờn. Cấu trỳc hỡnh 2.3 a giới thiệu giới thiệu giải phỏp đơn giản về bộ chuyển đổi tăng thế với khả năng tăng điện ỏp đầu ra 1 chiều. Đặc trưng quan trọng của bộ biến đổi dựng cho điều chỉnh tốc độ truyền động là đưa ra điện ỏp động cơ lớn nhất. Hạn chế chớnh của giải phỏp này là quỏ tải trong cỏc bộ phận, mộo dũng đầu vào tần số thấp. Cấu trỳc tiếp theo (b), (c) sử dụng chỉnh lưu PWM với tốc độ tăng dũng rất thấp (20-25% giỏ trị hiệu dụng của dũng so với cấu trỳc (e)). Do đú, chỳng cú giỏ thành thấp, chỉ cú thể thực hiện chế độ hóm tỏi sinh(b) và làm bộ lọc tớch cực(c). Hỡnh (d) giới thiệu bộ biến đổi 3 cấp gọi là bộ chỉnh lưu Vienna. Ưu điểm chớnh là điện ỏp chuyển mạch thấp nhưng khụng phải là cỏc loại mạch điển hỡnh. Hỡnh 2.3: Cấu trỳc cơ bản của chỉnh lưu 3 pha a)Bộ biến đổi tăng thế b)Chỉnh lưu diode với chỉnh lưu hóm tỏi sinh PWM c)Chỉnh lưu diode với bộ lọc tớch cực PWM d)Chỉnh lưu Vienna(3 cấp) e)Chỉnh lưu cú khả năng đảo ngược (2 cấp) Hỡnh (e) giới thiệu cấu trỳc thụng dụng nhất sử dụng trong ASD (Adjustable Speed Drives), UPS (Uninterruptable Power Supply), và gần đõy được sử dụng như một bộ chỉnh lưu PWM. Cấu trỳc phổ biến này cú cỏc ưu điểm là sử dụng cỏc module 3 pha giỏ thành thấp với năng lượng cú khả năng chảy 2 chiều. Cỏc nhược điểm của nú là tỉ lệ tăng dũng cao, tổn thất chuyển mạch lớn. Nột đặc trưng của toàn bộ cỏc cấu trỳc được so sỏnh trong bảng 2.1. Điều chỉnh điện ỏp DC đầu ra Mộo súng hài bậc thấp dũng nguồn Dạng dũng điện gần hỡnh sin Chỉnh hệ số cụng suất Dũng năng lượng 2 chiều Ghi chỳ Chỉnh lưu diode - - - - - Hỡnh a + - - + - Hỡnh b - - - - + Hỡnh c - + + + - UPF Hỡnh d + + + + - UPF Hỡnh e + + + + + UPF Bảng 2.1: Đặc trưng của cỏc bộ chỉnh lưu 3 pha Cấu trỳc (e) là cú nhiều ưu điểm nhất nờn đang được phỏt triển.Trong hệ thống phõn bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiờn được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nú cho hệ số cụng suất bằng 1 và dũng điện chứa ớt thành phần súng hài. Cỏc bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v... Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều Hệ thống phõn phối điện năng 1 chiều Điện ỏp bộ biến đổi cầu cú thể được đặc trưng bởi 8 trạng thỏi chuyển mạch cú thế (6 trạng thỏi tớch cực và 2 trạng thỏi 0) được mụ tả bởi phương trỡnh: với k =0.....5 (2.2) Hỡnh 2.4 Trạng thỏi chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM II.Mễ TẢ TOÁN HỌC Mối quan hệ cơ bản giữa cỏc vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hỡnh Hỡnh 2.5: Mối quan hệ giữa cỏc vector trong chỉnh lưu PWM a. Mụ tả dũng điện và điện ỏp nguồn Dũng điện và điện ỏp nguồn 3 pha: (2.3 a) (2.3 b) (2.3 c) (2.4 a) (2.4 b) (2.4 c) Trong đú: Em(Im) và w là biờn độ điện ỏp(dũng điện) pha và tần số gúc tương ứng, với giả thiết: ia+ib+ic=0 (2.5) Chỳng ta cú thể chuyển phương trỡnh 2.3 sang hệ α-β. Khi đú điện ỏp đầu vào trong hệ toạ độ α-β được biểu diễn bởi: (2.6) (2.7) Và điện ỏp đầu vào trong hệ toạ độ đồng bộ d-q (hỡnh 2.5) được biểu diễn: (2.8) b. Mụ tả điện ỏp vào bộ chỉnh lưu PWM Điến ỏp dõy đầu vào chỉnh lưu PWM cú thể mụ tả với sự trợ giỳp của hỡnh 2.4 như sau: (2.9 a) (2.9 b) (2.9 c) và điện ỏp pha được tớnh như sau: (2.10 a) (2.10 b) (2.10 c) Trong đú: (2.11 a) (2.11 b) (2.11 c) fa, fb, fc nhận cỏc giỏ trị : 0; 1/3; 2/3 c. Mụ tả chỉnh lưu PWM Phương trỡnh điện ỏp hỡnh 2.2.b được viết như sau: (2.12) (2.13) (2.14) Ngoài ra dũng điện (2.15) Kết hợp cỏc phương trỡnh 2.10, 2.11, 2.14, 2.15 ta thu được sơ đồ khối 3 pha như hỡnh 2.6. Hỡnh 2.6: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM nguồn dũng trong hệ toạ độ tự nhiờn d. Mụ hỡnh chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tĩnh α-β. Phương trỡnh điện ỏp trong khung toạ độ tĩnh α-β tỡm được bằng cỏch ỏp dụng phương trỡnh: (2.16) Vào cỏc phương trỡnh (2.14), (2.15) (2.17) và (2.18) Trong đú: (2.19) Sơ đồ khối của mụ hỡnh α-β. Hỡnh 2.7: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn ỏp trong khung toạ độ α-β. e. Mụ hỡnh chỉnh lưu PWM trong khung tọa độ d-q Cỏc phương trỡnh trong hệ toạ độ d-q cú được bằng cỏch biến đổi phương trỡnh : (2.20) Ta được (2.21 a) (2.21 b) (2.22) Với: Sơ đồ khối trong hệ toạ độ d-q: Hỡnh 2.8: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn ỏp trong hệ tọa độ d-q Trong thực tế, cú thể bỏ qua điện trở R, bởi vỡ điện ỏp rơi trờn R nhỏ hơn nhiều so với điện ỏp rơi trờn cuộn dõy. Cỏc phương trỡnh (2.15), (2.17), (2.20) cú thể viết đơn giản: (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) (2.27) Cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng từ nguồn xỏc định bởi: (2.28) (2.29) Trong hệ toạ độ d-q: (2.30) (2.31) Nếu giả sử hệ số cụng suất bằng 1 ta cú: Hỡnh 2.9: Dũng cụng suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL III.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PWM Đó cú nhiều cấu trỳc điều khiển được đưa ra cho chỉnh lưu PWM. Mặc dự, cỏc cấu trỳc điều khiển này đều nhằm mục đớch đạt được hệ số cụng suất cao và dạng dũng điện gần hỡnh sin nhưng nguyờn tắc của chỳng là khỏc nhau. Trờn thực tế, cấu trỳc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) cú sử dụng mạch vũng điều khiển dũng điện là cấu trỳc đó được phỏt triển và rất phổ biến. Bờn cạnh đú, cú một cấu trỳc điều khiển khỏc là DPC (Direct Power Control) dựa trờn cỏc mạch vũng điều khiển cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng tức thời. Trong cấu trỳc DPC, khụng cú mạch vũng điều khiển dũng điện và khụng cú khối điều chế PWM vỡ cỏc trạng thỏi chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển mạch dựa trờn sự sai lệch giữa giỏ trị ước lượng và giỏ trị điều khiển của cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng. Do đú, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trỳc DPC là phải ước lượng nhanh và chớnh xỏc cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng. Cỏc phương phỏp điều khiển chỉnh lưu PWM Điều khiển Điều khiển dựa trờn điện ỏp dựa trờn từ thụng ảo Hỡnh 2.10. Cỏc phương phỏp điều khiển chỉnh lưu PWM Hỡnh 2.11. Sơ đồ khối của phương phỏp điều khiển DPC IV. Mễ PHỎNG BẰNG MATLAB Mụ hỡnh hệ thống điều khiển trờn mụi trường Simulink: Cấu trỳc cỏc khối trong sơ đồ Chỉnh lưu PWM Mục đớch: Tạo dũng điện 1 chiều khi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và tạo điện ỏp xoay chiều 3 pha khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu tuỳ theo chế độ hoạt động của tải Khối ước lượng cụng suất và gúc \ Mục đớch: Tớnh cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng và gúc lệch từ đú ta tớnh được sector và cỏc Sa,Sb,Sc Cấu trỳc chi tiết: Tớnh từ thụng từ cỏc giỏ trị Ua và Ub: Khõu tớnh 12 sector: Thuật toỏn để lập khối chọn sector: Bảng chọn (Switching Table): Thuật toỏn để lập bảng chọn: Kết quả mụ phỏng MATLAB Hỡnh 1: Điện ỏp và dũng điện lưới (Từ trờn xuống : ia , ua). Hỡnh 2: Điện ỏp sau khi chỉnh lưu Udc. Hỡnh 3: Dũng điện sau khi chỉnh lưu Idc. Hỡnh 4: Cụng suất tỏc dụng ước lượng p. Hỡnh 5: Cụng suất phản khỏng ước lượng q. Hỡnh 6: Cụng suất ước lượng (từ trờn xuống: cụng suất tỏc dụng p, cụng suất phản khỏng q).