Tổng quan về bộ chuyển đổi kép

Trong phần hướng dẫn trước, chúng ta đã biết cách thiết kế Mạch cấp nguồn kép, bây giờ chúng ta tìm hiểu về Bộ chuyển đổi kép, có thể chuyển đổi AC sang DC và DC sang AC cùng một lúc. Như tên cho thấy Dual Converter có hai bộ chuyển đổi, một bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chỉnh lưu (Chuyển đổi AC thành DC) và bộ chuyển đổi khác hoạt động như một bộ biến tần (chuyển đổi DC thành AC). Cả hai bộ chuyển đổi được kết nối ngược trở lại với một tải chung như trong hình trên. Để tìm hiểu thêm về Chỉnh lưu và Biến tần, hãy làm theo các liên kết.

Tại sao chúng tôi sử dụng bộ chuyển đổi kép? Nếu chỉ có một bộ chuyển đổi có thể cung cấp tải, thì tại sao chúng ta lại sử dụng hai bộ chuyển đổi? Những câu hỏi này có thể phát sinh và bạn sẽ nhận được câu trả lời trong bài viết này.

Ở đây chúng tôi có hai bộ chuyển đổi được kết nối ngược trở lại. Do kiểu kết nối này, thiết bị này có thể được thiết kế cho hoạt động bốn góc phần tư. Nó có nghĩa là cả điện áp tải và dòng tải đều trở nên thuận nghịch. Làm thế nào có thể hoạt động bốn góc phần tư trong bộ chuyển đổi kép? Điều đó chúng ta sẽ thấy rõ hơn trong bài viết này.

Nói chung, bộ chuyển đổi kép được sử dụng cho các ổ DC có thể đảo ngược hoặc các ổ DC tốc độ thay đổi. Nó được sử dụng cho các ứng dụng năng lượng cao.

Hoạt động bốn góc phần tư trong Bộ chuyển đổi kép

Góc phần tư thứ nhất: điện áp và dòng điện đều dương.

Góc phần tư thứ hai: điện áp là dương và dòng điện là âm.

Góc phần tư thứ ba: điện áp và dòng điện đều âm.

Góc phần tư thứ tư: điện áp là âm và dòng điện là dương.

Trong số hai bộ chuyển đổi này, bộ chuyển đổi đầu tiên hoạt động ở hai góc phần tư tùy thuộc vào giá trị của góc bắn α. Bộ chuyển đổi này hoạt động như một bộ chỉnh lưu khi giá trị của α nhỏ hơn 90˚. Trong hoạt động này, bộ chuyển đổi tạo ra điện áp tải trung bình dương và dòng tải, và hoạt động ở góc phần tư đầu tiên.

Khi giá trị của α lớn hơn 90˚, bộ chuyển đổi này hoạt động như một bộ biến tần. Trong hoạt động này, bộ chuyển đổi tạo ra điện áp đầu ra trung bình âm và hướng của dòng điện không thay đổi. Đó là lý do tại sao dòng tải vẫn dương. Trong hoạt động góc phần tư đầu tiên, năng lượng truyền từ nguồn sang tải và trong hoạt động ở góc phần tư thứ tư, năng lượng truyền từ tải sang nguồn.

Tương tự, bộ biến đổi thứ hai hoạt động như một bộ chỉnh lưu khi góc bắn α nhỏ hơn 90˚ và nó hoạt động như một bộ biến tần khi góc bắn α lớn hơn 90˚. Khi bộ chuyển đổi này hoạt động như một bộ chỉnh lưu, điện áp đầu ra trung bình và dòng điện đều là âm. Vì vậy, nó hoạt động ở góc phần tư thứ ba và dòng điện là từ tải đến nguồn. Ở đây, động cơ quay theo hướng ngược lại. Khi bộ chuyển đổi này hoạt động như một biến tần, điện áp đầu ra trung bình là dương và dòng điện là âm. Vì vậy, nó hoạt động ở góc phần tư thứ hai và dòng điện là từ tải đến nguồn.

Khi dòng điện truyền từ tải sang nguồn, động cơ hoạt động giống như một máy phát điện và điều này làm cho quá trình tái tạo có thể xảy ra.

Nguyên tắc

Để hiểu nguyên lý của bộ chuyển đổi kép, chúng tôi giả định rằng cả hai bộ chuyển đổi đều lý tưởng. Nó có nghĩa là chúng tạo ra điện áp đầu ra DC thuần túy, không có gợn sóng ở các đầu cuối đầu ra. Sơ đồ tương đương đơn giản của bộ chuyển đổi kép được thể hiện trong hình dưới đây.

Trong sơ đồ mạch trên, bộ biến đổi được giả định là nguồn điện áp một chiều có thể điều khiển được và nó được mắc nối tiếp với diode. Góc bắn của các bộ chuyển đổi được điều chỉnh bởi một mạch điều khiển. Vì vậy, điện áp một chiều của cả hai bộ chuyển đổi có độ lớn bằng nhau và ngược chiều về cực. Điều này có thể làm cho dòng điện chạy ngược chiều qua tải.

Bộ biến đổi hoạt động như một bộ chỉnh lưu được gọi là bộ biến đổi nhóm tích cực và bộ biến đổi khác hoạt động như một bộ nghịch lưu được gọi là bộ biến đổi nhóm âm.

Điện áp đầu ra trung bình là một hàm của góc bắn. Đối với bộ nghịch lưu một pha và bộ nghịch lưu ba pha, điện áp đầu ra trung bình ở dạng phương trình dưới đây.

E _DC1 = E _max Cos⍺ ₁ E _DC2 = E _max Cos⍺ ₂

Trong đó α ₁ và α _{2 lần lượt} là góc bắn của bộ chuyển đổi-1 và bộ chuyển đổi-2.

Đối với, bộ chuyển đổi kép một pha, E _{cực đại} = 2E _m / π

Đối với, bộ chuyển đổi kép ba pha, E _{tối đa} = 3√3E _m / π

Đối với, bộ chuyển đổi lý tưởng, E _DC = E _DC1 = -E _DC2 E _max Cos⍺ ₁ = -E _max Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ = -Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ = Cos (180⁰ - ⍺ ₂) ⍺ ₁ = 180⁰ - ⍺ ₂ ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰

Như đã thảo luận ở trên, điện áp đầu ra trung bình là một hàm của góc bắn. Nó có nghĩa là đối với điện áp đầu ra mong muốn, chúng ta cần kiểm soát góc bắn. Có thể sử dụng mạch điều khiển góc bắn sao cho khi tín hiệu điều khiển E _c thay đổi, góc bắn α ₁ và α ₂ sẽ thay đổi sao cho thỏa mãn như đồ thị bên dưới.

Bộ chuyển đổi kép thực tế

Thực tế, chúng ta không thể coi cả hai bộ chuyển đổi là một bộ chuyển đổi lý tưởng. Nếu đặt góc bắn của các bộ chuyển đổi sao cho ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰. Trong điều kiện này, điện áp đầu ra trung bình của cả hai bộ chuyển đổi đều giống nhau về độ lớn mm nhưng ngược lại về cực. Nhưng do điện áp gợn sóng, chúng ta không thể nhận được chính xác cùng một điện áp. Vì vậy, có sự chênh lệch điện áp tức thời tại các cực DC của hai bộ chuyển đổi tạo ra dòng điện cực c giữa các bộ chuyển đổi và dòng điện đó sẽ chạy qua tải.

Do đó, trong bộ biến đổi kép thực tế, cần phải điều khiển dòng điện tuần hoàn. Có hai Chế độ để kiểm soát dòng điện tuần hoàn.

1) Hoạt động mà không có dòng điện tuần hoàn

2) Hoạt động với dòng điện tuần hoàn

1) Hoạt động của bộ chuyển đổi kép không có dòng điện tuần hoàn

Trong loại bộ chuyển đổi kép này, chỉ có một bộ chuyển đổi đang dẫn và bộ chuyển đổi khác tạm thời bị chặn. Vì vậy, tại một thời điểm, một bộ chuyển đổi hoạt động và không cần lò phản ứng giữa các bộ chuyển đổi. Tại một thời điểm cụ thể, giả sử bộ chuyển đổi-1 hoạt động như một bộ chỉnh lưu và cung cấp dòng tải. Tại thời điểm này, bộ chuyển đổi-2 bị chặn bằng cách loại bỏ góc bắn. Đối với hoạt động đảo ngược, bộ chuyển đổi-1 bị chặn và bộ chuyển đổi-2 đang cung cấp dòng tải.

Các xung tới bộ chuyển đổi-2 được áp dụng sau một thời gian trễ. Thời gian trễ là khoảng 10 đến 20 mili giây. Tại sao chúng tôi áp dụng thời gian trì hoãn giữa các lần thay đổi hoạt động? Nó đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của các thyristor. Nếu bộ chuyển đổi-2 kích hoạt trước khi bộ chuyển đổi-1 tắt hoàn toàn, một lượng lớn dòng điện tuần hoàn sẽ chạy giữa các bộ chuyển đổi.

Có nhiều sơ đồ điều khiển để tạo góc bắn cho hoạt động tự do của dòng điện tuần hoàn của bộ chuyển đổi kép. Các sơ đồ điều khiển này được thiết kế để vận hành các hệ thống điều khiển rất phức tạp. Ở đây, tại một thời điểm chỉ có một bộ chuyển đổi đang dẫn. Do đó, có thể chỉ sử dụng một đơn vị góc bắn. Một số sơ đồ cơ bản được liệt kê dưới đây.

A) Lựa chọn bộ chuyển đổi theo cực tín hiệu điều khiển

B) Lựa chọn bộ chuyển đổi theo cực dòng tải

C) Lựa chọn bộ chuyển đổi theo cả điện áp điều khiển và dòng tải

2) Hoạt động của bộ chuyển đổi kép với dòng điện tuần hoàn

Khi không có bộ biến đổi dòng điện tuần hoàn, nó đòi hỏi hệ thống điều khiển rất phức tạp và dòng tải không liên tục. Để khắc phục những khó khăn này, có một bộ chuyển đổi kép có thể hoạt động với dòng điện tuần hoàn. Một cuộn kháng giới hạn dòng điện được kết nối giữa các cực DC của cả hai bộ chuyển đổi. Góc bắn của cả hai bộ chuyển đổi được thiết lập sao cho lượng dòng điện tuần hoàn chạy qua lò phản ứng là nhỏ nhất. Như đã thảo luận trong biến tần lý tưởng, dòng điện tuần hoàn bằng 0 nếu ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰.

Giả sử góc bắn của bộ chuyển đổi-1 là 60˚ thì góc bắn của bộ chuyển đổi-2 phải được duy trì ở 120˚. Trong hoạt động này, bộ biến đổi-1 sẽ hoạt động như một bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi-2 sẽ hoạt động như một bộ biến tần. Do đó, trong loại hoạt động này, tại một thời điểm cả hai bộ chuyển đổi đều ở trạng thái dẫn. Nếu dòng tải được đảo ngược, bộ biến đổi hoạt động như một bộ chỉnh lưu hiện đang hoạt động như một bộ biến tần, trong khi bộ biến đổi hoạt động như một bộ nghịch lưu hiện đang hoạt động như một bộ chỉnh lưu. Trong lược đồ này, cả hai bộ chuyển đổi tiến hành cùng một lúc. Vì vậy, nó yêu cầu hai đơn vị tạo góc bắn.

Ưu điểm của sơ đồ này là chúng ta có thể vận hành trơn tru bộ chuyển đổi tại thời điểm đảo ngược. Thời gian phản hồi của chương trình rất nhanh. Khoảng thời gian trễ thông thường là 10 đến 20 msec trong trường hợp loại bỏ hoạt động tự do dòng điện tuần hoàn.

Nhược điểm của phương án này là kích thước và giá thành của lò phản ứng cao. Vì dòng điện tuần hoàn nên hệ số công suất và hiệu suất thấp. Để xử lý dòng điện tuần hoàn, cần phải có các thyristor có định mức dòng điện cao.

Tùy theo loại tải, bộ chuyển đổi kép một pha và ba pha được sử dụng.

1) Bộ chuyển đổi kép một pha

Sơ đồ mạch của bộ chuyển đổi kép được hiển thị trong hình dưới đây. Một động cơ DC được kích thích riêng được sử dụng làm tải. Các đầu nối một chiều của cả hai bộ biến đổi được nối với các đầu cuối của cuộn dây phần ứng. Ở đây, hai bộ chuyển đổi đầy đủ một pha được kết nối ngược trở lại. Cả hai bộ chuyển đổi đều cung cấp một tải chung.

Góc bắn của bộ chuyển đổi-1 là α ₁ và α ₁ nhỏ hơn 90˚. Do đó, bộ chuyển đổi-1 hoạt động như một bộ chỉnh lưu. Đối với nửa chu kỳ dương (0 <t <π), thyristor S1 và S2 sẽ dẫn và đối với nửa chu kỳ âm (π <t <2π), thyristor S3 và S4 sẽ dẫn. Trong hoạt động này, điện áp đầu ra và dòng điện đều dương. Vì vậy, hoạt động này được gọi là hoạt động chuyển động tịnh tiến và bộ chuyển đổi hoạt động ở góc phần tư thứ nhất.

Góc bắn của bộ chuyển đổi-2 là 180 - α ₁ = α ₂ và α ₂ lớn hơn 90˚. Vì vậy, bộ chuyển đổi-2 hoạt động như một bộ biến tần. Trong hoạt động này, dòng tải vẫn có cùng hướng. Cực tính của điện áp đầu ra là âm. Do đó, bộ chuyển đổi hoạt động ở góc phần tư thứ tư. Hoạt động này được gọi là phanh tái sinh.

Để quay ngược lại động cơ DC, bộ biến đổi-2 hoạt động như bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi-1 hoạt động như một bộ biến tần. Góc bắn của bộ chuyển đổi-2 α ₂ nhỏ hơn 90˚. Nguồn điện áp thay thế cung cấp cho tải. Trong hoạt động này, dòng tải là âm và điện áp trung bình đầu ra cũng là âm. Do đó, bộ chuyển đổi-2 hoạt động ở góc phần tư thứ ba. Hoạt động này được gọi là chuyển động ngược chiều.

Trong hoạt động ngược lại, góc bắn của bộ chuyển đổi-1 nhỏ hơn 90˚ và góc bắn của bộ chuyển đổi-2 lớn hơn 90˚. Vì vậy, trong hoạt động này, dòng tải là âm nhưng điện áp đầu ra trung bình là dương. Vì vậy, bộ chuyển đổi-2 hoạt động ở góc phần tư thứ hai. Hoạt động này được gọi là phanh tái sinh ngược.

Dạng sóng của bộ biến đổi kép một pha như trong hình dưới đây.

2) Bộ chuyển đổi kép ba pha

Sơ đồ mạch của bộ biến đổi kép ba pha như trong hình dưới đây. Ở đây, hai bộ chuyển đổi ba pha được kết nối ngược trở lại. Nguyên lý hoạt động giống như bộ biến đổi kép một pha.

Vì vậy, đây là cách Bộ chuyển đổi Kép được thiết kế và như đã nói chúng thường được sử dụng để xây dựng các ổ đĩa DC có thể đảo ngược hoặc ổ đĩa DC tốc độ thay đổi trong các ứng dụng công suất cao.