Tin tức » Tin công nghệ »


Lượt xem: 12294
Gửi lúc 10:50' 12/10/2010
Bộ nghịch lưu thuần sin sử dụng điều chế độ rộng xung PWM

1. Giới thiệu

Bài viết này tập trung vào tìm hiểu việc phân tích thiết kế các bộ nghich lưu, mục tiêu chính là tìm ra phương thức có hiệu quả nhất để biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều sử dụng được trong các thiết bị dân dụng. Các bộ nghịch lưu có rất nhiều ứng dụng ở những nơi không có điện lưới, nó được sử dụng để biến đổi các nguồn một chiều điện áp thấp như ắc-qui, pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu thành diện xoay chiều phục vụ các thiết bị dân dụng. Ví dụ, nó được sử dụng để chuyển đổi nguồn trong xe ô tô để  phục vụ hoạt động của máy tính xách tay, tivi hay điện thoại và các thiết bị di động…

Phương pháp biến đổi nguồn một chiều (DC) thành xoay chiều (AC) được tiến hành theo hai bước:

Bước 1: Biến đổi nguồn DC điện áp thấp thành DC điện áp cao

Bước 2: Là biến đổi nguồn DC điện áp cao thành nguồn AC sử dụng điều biến độ rộng xung

Một phương pháp khác là chuyển nguồn DC điện áp tháp thành nguồn AC, sau đó sử dụng khuyếch đại công suất và biến áp để nâng điện áp AC lên mức yêu cầu. Bài viết này tập trung vào phương pháp thứ nhất, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Các bộ nghịch lưu trên thị trường hiện nay có thể chia làm hai loại chính, phân biệt dựa trên dạng sóng đầu ra của nguồn AC: sin mô phỏng và sin thuần. Dạng sóng của sin mô phỏng gần với xung vuông hơn là sin. Các bộ nghịch lưu loại này có giá thành thấp và do đó có tính cạnh tranh tương đối tốt tuy nhiên có rất nhiều thiết bị không hoạt động được khi sử dụng loại nghịch lưu này như máy in laser, máy tính xách tay, động cơ, đồng hồ số và cá thiết bị y tế…

Các bộ nghịch lưu sin thuần cho phép sử dụng được tất cả các loại thiết bị. Các bộ nghịch lưu này còn giảm thiểu tiếng ồn trong các thiết bị do có độ méo thấp.

2. Vấn đề cần phân tích

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều lựa chọn cho các bộ nghịch lưu với rất nhiều mức giá, cấp chất lượng, hiệu suất và công suất khác nhau. Các bộ nghịch lưu sin thuần thường sử dụng các linh kiện số công suất cao và đắt tiền trong khi đó các bộ nghịch lưu sin mô phỏng rất đơn giản do không có phần tạo xung phức tạp tuy nhiên điện áp đầu ra chứa nhiều nhiễu có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị nhạy cảm, ví dụ thiết bị y tế. Mục tiêu của bài viết này là phân tích một loại thiết kế khác có thể cho phép tạo ra các bộ nghịch lưu sin thuần có hiệu quả và giá thành thấp và có thể ứng dụng thực tế trong sản xuất. Các bộ nghịch lưu này sử dụng kỹ thuật điều biến độ rông xung (PWM) để tạo ra sin gần thuần với nhiễu rất nhỏ.

3. Cơ sở

3.1. Dòng DC và AC

Hiện nay, có hai dạng hình thái được sử dụng để truyền tải năng lượng điện, một chiều (DC) và xoay chiều (AC), mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng. Nguồn một chiều cung cấp nguồn và dòng ổn định cho các ứng dụng. Các mạch số chỉ có thể hoạt động với nguồn một chiều. Trong lịch sử, đường truyền tải điện đầu tiên do Thomas Edison thiết lập là đường truyền tải điện một chiều. Đường truyền tải điện một chiều không cho phép tăng áp trên đường truyền do đó không thể truyền đi xa.

V = IR

P = IV = I2 R

Theo phương trình trên, công suất suy hao tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện và điện trở đường dây. Nếu ta tăng điện áp thì dòng điện giảm đi và công suất suy hao sẽ giảm theo hàm mũ. Do đó, điện áp truyền tải cao sẽ làm giảm công suất suy hao. Nguồn xoay chiều khác với nguồn một chiều là dao động điện áp giữa hai mức ở tần số xác định, nó cho phép dễ dàng sản xuất, tăng/hạ áp và do đó thuận lợi hơn trong quá trình truyền tải. Tại các điểm tiêu thụ và sản xuất điện, việc tăng/hạ áp có thể tiến hành một cách đơn giản bằng cách dử dụng biến áp. Biến áp được William Stanley Jr. phát minh năm 1886 cho phép thực hiện việc truyền tải điện năng đi xa.

Các đường dây tải điện ngày nay phần lớn truyền tải nguồn xoay chiều. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng từ năm 1954 đã có nhiều đường truyền tải điện một chiều cao áp được xây dựng sử dụng các bộ chuyển đổi DC/DC cho phép dễ dàng tăng/hạ áp.

Giống như đối với nguồn một chiều, có rất nhiều thiết bị hoạt động bằng điện xoay chiều như động cơ, máy thu thanh, truyền hình … Việc này dẫn đến sự tồn tại của cả hai loại nguồn nói trên, thế giới không thể vận hành khi chỉ có một loại. Tuy nhiên, do không phải lúc nào cũng có thể truyền tải cả hai loại nguồn đến nơi sử dụng nên cần có cách để chuyển đổi qua lại giữa hai loại nguồn này một cách dễ dàng và hiệu quả. Nhu cầu này được đáp ứng nhờ các bộ chuyển đổi AC/DC (chỉnh lưu) và DC/AC (nghịch lưu)

3.2. Các bộ nghịch lưu và ứng dụng

 

 

 
Các bộ nghịch lưu là các thiết bị có khả năng chuyển đổi nguồn một chiều thành xoay chiều. Nó có nhiều hình dạng, kích thước, giá cả, công suất và hiệu suất khác nhau, từ loại sử dụng cho máy thu thanh đến loại cung cấp điện áp dự phòng cho cả một tòa nhà.

Hình 1: Hình ảnh một bộ nghịch lưu 200W

Hình 1 cho ta thấy bộ nghịch lưu hiện đại nhỏ gọn thế nào. Các bộ nghịch lưu được sử dụng cho các thiết bị trên ô tô, kho cắm trại, đi thuyền hay các công trình xây dựng chưa được cung cấp điện lưới.

Như đã trình bày ở trên, trên thi trường hiện có hai loại nghịch lưu, sin mô phỏng và sin thuần.

Một sóng sin mô phỏng có hình dạng tương tự xung vuông nhưng có

 

 

 
gia đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các loại sóng được vẽ trong Hình 2 dưới đây. Sóng sin mô phỏng có thể được tạo ra dễ dàng bằng cách chuyển đổi giữa 3 mức với tần số xác định do đo có giá thành rẻ. Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể hoạt động được với với loại nghịch lưu này

 

Hình 2: Sóng vuông, sin mô phỏng và sin thuần

3.3. Điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation -PWM)

Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi. Sự thay đổi của hệ số đầy xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng.

Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai đầu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu đầu ra, để tạo ra tín hiệu tín hiệu dựa trên sự sai khác. Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin và có tần số đúng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu đầu ra có dạng răng cưa hoặc tam giác và thường có tần số lớn hơn tín hiệu chuẩn. Khi tín hiệu đầu ra ra lớn hơn chuẩn, đầu ra bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất, và ở trạng thái thứ hai trong trường hợp ngược lại. Quy trình này được mô tả trong Hình 3, trong đó tín hiệu đầu ra (xung tam giác) có màu đỏ, tín hiệu chuẩn màu lam, tín hiệu sin mô phỏng và xung vuông.

Hình 3: Phương thức điều biến độ rộng xung (PWM)

Trong thực tế hiện nay, người ta thường sử dụng vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM thay cho cách nói trên. Sử dụng vi điều khiển có nhiều ưu điểm:

- Độ ổn định tần số cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh.

- Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz

- Khả năng điều chỉnh chính xác, sai số đầu ra có thể đạt đến 1%.

- Có thể cùng lúc tạo nhiều tín hiệu PWM

Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng các phần còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị …

Để khuyếch đại tín hiệu PWM, transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác được sử dụng. Các cấu hình cầu hoặc bán cầu thường được sử dụng trong trường hợp này. Các cấu hình cầu sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch và thường được gọi là cầu H (H­Bridge) do hình dạng của nó.

3.4. Mạch cầu H (H­Bridge)

 

 

 
Mạch cầu H hay mạch toàn cầu là một mạch chuyển mạch tạo bởi bốn linh kiện sắp xếp theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển chuyển mạch cầu các linh kiện trong mạch, ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện ở Hình 7.

Hình 7: Mạch cầu H cơ sở sử dụng linh kiện MOSFET kênh N

Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 1. Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ, ví dụ ngắn mạch.

Bảng 1: Các trạng thái của cầu H

Q1

Q2

Q3

Q4

Áp trên tải

Dẫn

Tắt

Tắt

Dẫn

Dương

Tắt

Dẫn

Dẫn

Tắt

Âm

Dẫn

Dẫn

Tắt

Tắt

0V

Tắt

Tắt

Dẫn

Dẫn

0V

Các phần tử sử dụng trong cầu H có nhiều lựa chọn, từ các chuyển mạch cơ khí đến các linh kiện bán dẫn. Việc sử dụng MOSFET kênh P cho Q1 và Q2; kênh N cho Q3 và Q4 sẽ khiến mạch đơn giản hơn, tuy nhiên MOSFET kênh N có điện trở dẫn thấp hơn do đó tiêu hao năng lượng thấp hơn. Việc sử dụng MOSFETs kiện N đòi hỏi phải có mạch điều khiển cung cấp điện áp một chiều lớn (~340V đối với bộ nghịch lưu 220V) để mở Q1 và Q2. Ta có thể tạo ra điện áp này bằng cách nạp một tụ ngoài. Kỹ thuật này sẽ được mô tả rõ hơn ở phần sau.

3.5. Mạch điều khiển MOSFET

Khi sử dụng linh kiện MOSFET kênh N để chuyển mạch nguồn DC cung cấp cho tải, cực máng của Q1 và Q2 thường được nối với điện áp cao nhất trong hệ thống. Điều này gây ra một khó khăn cần giải quyết do để đưa MOSFET vào trạng thái dẫn, cực cổng cần có điện áp cao hơn cực máng khoảng 10V. Thông thường một mạch điều khiển sử dụng kỹ thuật nạp-bơm (charge-pum) hoặc tăng áp (bootstrapping) sẽ được dùng để điều khiển. Mạch này sẽ nạp nhanh tụ đầu vào của MOSFET (Cgiss) cho phép đưa MOSFET vào trạng thái dẫn.

3.6. Mạch bảo vệ và triệt xung cao áp

Một trong các yêu cầu chính của mạch điện tử là bảo vệ linh kiện trước tác động của các xung cao áp. Với bộ nghịch lưu, xung cao áp được tạo ra khi dùng tải cảm (ví dụ: động cơ, cuộn rơ-le…). Các xung này cần phải bị triệt tiêu để bảo vệ mạch.

Để làm điều này, mạch triệt xung cao áp được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của xung cao áp.

Được cấu thành từ trở, tụ và có thể thêm đi-ốt ổn áp (zener diode). Các mạch triệt xung cao áp được vẽ ở Hình 8, 9 và 10.

 

 

 
Hình 8: Tải cảm

Hình 9: Mạch triệt xung RC

Hình 10: Mạch triệt xung RC bổ sung đi ốt ổn áp

3.7. Các bộ lọc

Các bộ lọc có nhiều dạng với ưu-nhược điểm khác nhau. Ví dụ các bộ lọc số có cấu hình đơn giản và có thể được thiết lập bất kỳ tần số nào. Nếu yêu cầu chỉ là lọc thông thấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số kỹ thuật rất cao và có suy hao không đáng kể. Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên các KDTT hay các linh kiện lô-gic. Tuy nhiên, các bộ lọc này có giá thành cao, và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao. Để thực hiện lọc điện áp cao trong các bộ nghịch lưu, người ta thường sử dụng các bộ lọc thụ động. Các bộ lọc này có giá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế.

4. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu thuần sin sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung và cầu H

Sơ đồ khối của bộ nghịc lưu dạng này được vẽ trong Hình 11 và 12 dưới đây.

Hình 11: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu

Hình 12: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu

5. Tài liệu tham khảo

1. 600 Watt Pure Sine Wave Inverter. Donrowe.com. http://www.donrowe.com/inverters/puresine_600.html .

2. ABS Alaskan. (2006). DC to AC Power Inverters. http://www.absak.com/basic/inverters.html .

3. Bellis, Mary. William Stanley Jr. http://inventors.about.com/library/inventors/blstanley.htm .

4. Bigelow, Ken. (2006). Generating Triangle Waves. http://www.play­hookey.com/analog/triangle_waveform_generator.html.

5. Charpentier, J.P.; Rudervall, Roberto Sharma, Raghuveer. The World Bank. High Voltage Direct Current Transmission Systems Technical Review Paper. http://www.worldbank.org/html/fpd/em/transmission/technology_abb.pdf .

6. Donrowe.com. (2005). Frequently Asked Inverter Questions. http://www.donrowe.com/inverters/inverter_faq.html#modified .

7. Go Power 600 Watt Modified Wave Inverter. 4Lots.com. http://www.4lots.com/browseproducts/Go­Power­600­Watt­Inverter.html .

8. Hart, D. (1997). Introduction to Power Electronics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. International Rectifier. (2006). AN­978 ­ HV Floating MOS_Gate Driver ICs. http://www.irf.com/technical­info/appnotes/an­978.pdf.

9. International Rectifier. (2006). IR2110 High and Low Side Driver. http://www.irf.com/product­info/datasheets/data/ir2110.pdf.

10. Ledwich, G. (1998). Pulse Width Modulation (PWM) Basics. http://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/articles/PWM/pwm.shtm.

11. Trace Engineering. (April 9, 1999). Modified Sinewave and Sinewave Waveforms. http://www.wholesalesolar.com/pdf.folder/Download%20folder/sine_modsine.pdf.

12. Walmart.com. Power Inverter Listings. http://www.walmart.com/catalog/product.do?product_id=4965458 .

Tác giả: Phòng Nghiên cứu và Phát triển sưu tầm và cung cấp

» Các bài viết khác





VFT, VNPT, Fujitsu, Thiet bi truyen dan, Thiet bi vien thong, Mang khong day, Dien toan dam may, ADSL, Chuyen mach, Ghep kenh, Thiet bi duong truc, Telecommunications,LTE, SAE, SingleRAN, IMS, BMS, Data, FTTx, Broadband access, WDM, SDP, managed service, terminal, WCDMA/HSPA, TD-SCDMA, WiMAX, LTE, 3G, 4G, Viba, Ethenet, DWDM