Mạch nghịch lưu là một thành phần quan trọng trong việc chuyển đổi và điều khiển dòng điện xoay chiều từ nguồn điện một chiều. Trong đó, mạch nghịch lưu dùng biến áp xung nổi bật với khả năng tạo ra điện áp đầu ra ổn định, dạng sóng mong muốn và hiệu suất cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế hiện đại. Với những ứng dụng đa dạng trong công nghiệp và đời sống, các loại mạch nghịch lưu không chỉ đảm bảo hiệu suất mà còn đóng góp lớn vào sự phát triển của công nghệ điện tử công suất.
Mạch nghịch lưu là gì?
Thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều (DC) thành điện áp xoay chiều (AC) mà không phụ thuộc vào sự hiện diện của lưới điện xoay chiều được gọi là nghịch lưu độc lập.
Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu độc lập công suất lớn dựa trên việc sử dụng các chuyển mạch bán dẫn để thay đổi hướng cấp điện áp từ nguồn một chiều, tạo ra dòng điện xoay chiều cho tải.
Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng cố định, không ổn định hoặc điều chỉnh được. Điện áp và tần số của dòng xoay chiều đầu ra từ nghịch lưu có thể được thiết lập cố định hoặc điều chỉnh linh hoạt. Trong một số trường hợp, cả giá trị và tần số của điện áp xoay chiều đầu ra có thể được thay đổi đồng thời để phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Các tham số nghịch lưu
Để hiểu rõ hơn về cách các bộ nghịch lưu điều chỉnh tần số, biên độ và hình dạng điện áp xoay chiều, cũng như vai trò của thứ tự pha và chuỗi chuyển mạch, hãy cùng khám phá các nguyên tắc cơ bản dưới đây:
Tần số xoay chiều (AC)
Trong các bộ nghịch lưu, tần số xoay chiều đầu ra được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh tần số chuyển mạch của các phần tử bán dẫn.
Biên độ điện áp AC
Biên độ điện áp xoay chiều có thể thay đổi bằng hai cách:
- Điều chỉnh điện áp DC đầu vào: Quá trình này diễn ra bên ngoài bộ nghịch lưu và không liên quan đến quá trình chuyển mạch của nó.
- Điều chỉnh bên trong nghịch lưu: Sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để thay đổi điện áp AC. Các phương pháp điều chế cụ thể sẽ được trình bày ở phần sau.
Hình dạng điện áp AC
Hầu hết các ứng dụng nghịch lưu mong muốn điện áp đầu ra có dạng sóng sin. Tuy nhiên, đầu ra thường chứa một số thành phần hài khiến sóng điện áp không hoàn toàn là sin. Để cải thiện:
- Sử dụng mạch lọc: Giảm các thành phần hài trong điện áp đầu ra.
- Kỹ thuật PWM: Điều chỉnh thành phần hài, giảm thiểu hoặc loại bỏ các thành phần hài không cơ bản, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.
Thứ tự pha và chuỗi chuyển mạch
Các bộ nghịch lưu được thiết kế để tạo ra dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha, trong đó đầu ra ba pha thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và quân sự.
Đối với nghịch lưu ba pha, số lượng thiết bị chuyển mạch tăng lên, đòi hỏi phải chú trọng đến thứ tự pha và chuỗi chuyển mạch. Thứ tự pha của điện áp đầu ra được xác định bởi trình tự hoạt động của các thiết bị bán dẫn.
Sơ đồ điều khiển bộ mạch nghịch lưu
Sơ đồ điều khiển hai kênh (một kênh cho nhóm anode chung và một kênh cho nhóm cathode chung) được minh họa trong hình dưới đây:
Chức năng của mạch điều khiển là tạo ra các xung có biên độ, độ rộng và thời điểm phù hợp để điều khiển hoạt động của các thyristor trong mạch động lực. Điều này đảm bảo rằng các thyristor trong bộ nghịch lưu dòng ba pha được kích hoạt và ngắt theo thứ tự từ T1 đến T6, với mỗi thyristor hoạt động lệch pha nhau một góc π/3.
Nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu
Các tín hiệu điều khiển được cấp cho cặp thyristor T1, T2 sẽ lệch pha 180° so với tín hiệu điều khiển cấp cho cặp T3, T4.
Để đảm bảo dòng điện đầu vào ổn định, cuộn cảm Ld được thiết kế đủ lớn, giúp dòng điện đầu vào trở nên phẳng. Do đó, nguồn cấp cho nghịch lưu hoạt động như nguồn dòng và dòng điện đầu ra iN của nghịch lưu có dạng sóng vuông.
Khi xung điều khiển kích hoạt cặp thyristor T1, T2, dòng iN = id = Id. Đồng thời, dòng qua tụ C tăng đột biến, bắt đầu nạp điện với cực “+” bên trái và cực “-” bên phải. Khi tụ nạp đầy, dòng qua tụ giảm về 0. Do tổng dòng qua nghịch lưu iN = iC + iZ = Id là hằng số, ban đầu dòng qua tải nhỏ nhưng sẽ tăng dần theo thời gian.
Sau nửa chu kỳ, tại thời điểm t = t1, xung điều khiển kích hoạt cặp thyristor T3, T4. Khi T3, T4 mở, tụ C phóng điện từ cực “+” sang cực “-”. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời, sau đó tụ C bắt đầu nạp lại với cực “+” bên phải và cực “-” bên trái, đảo chiều dòng iN = id = Id.
Tại thời điểm t = t2, khi cặp thyristor T1, T2 được kích hoạt, T3, T4 sẽ bị khóa. Quá trình này lặp lại chu kỳ trước.
Tụ C đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển mạch của các thyristor. Tại thời điểm t1, khi T3, T4 được kích hoạt, tụ C tạo ra điện áp ngược làm khóa T1, T2. Thời gian duy trì điện áp ngược từ t1 đến t1’ (ký hiệu là tk = toff) là cần thiết để thyristor khôi phục khả năng điều khiển, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.
Mạch nghịch lưu đóng vai trò thiết yếu trong các ứng dụng chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện. Trong đó, mạch nghịch lưu dùng biến áp xung mang lại nhiều ưu điểm vượt trội nhờ khả năng nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa dạng sóng đầu ra. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các loại mạch nghịch lưu hiện đại tiếp tục được cải tiến, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp và đời sống.
