TIÊU CHÍ KỸ THUẬT CỦA INVERTER HIỆN ĐẠI
Để tập trung chuyên môn, Wambuakim xin nêu các tiêu chí kỹ thuật cần quan tâm :
1/. Dạng điện áp và dòng AC phải là
– Hình Sin thuần túy (pure sine wave),
– Sin động (phù hợp với dòng diện hình Sin) hay Gần Sin (phù hợp tương đối với dòng diện hình Sin).
Kỹ thuật điện tử và linh kiện điện tử công suất hiện nay (thế kỷ XXI) cho phép thoát ly khỏi các hướng Inverter Giả Sin (dùng dạng xung vuông) hay Không Sin (dạng dòng và áp biến ứng / cảm ứng phức tạp). Vì chúng gây hại rất lớn cho các thiết bị sử dụng điện (đặc biệt cho phụ tải Cảm) + gây can nhiễu điện từ + có thể gây hại sinh học cho con người.
2/. Inverter cố gắng tuân thủ dạng dòng và áp hình Sin + tần số dòng điện AC + thăng giáng điện áp của nguồn điện AC sử dụng song song với nó (điện lưới nếu có) để có thể hòa pha, để đấu nối phối hợp với nguồn điện dùng Inverter khác ở gần hoặc (và) đấu nối với nguồn điện lưới khi cần thiết.
3/. Inverter cần phải đủ an toàn điện (cách ly tốt, chống chập chạm cháy nổ, chống và ngăn ngừa chạm giật chết người v.v…).
4/. Giá trị sử dụng cao, bền chắc và an toàn nhưng giá thành Inverter phải đủ rẻ để phù hợp với thu nhập còn hạn chế của nhân dân VN và để dễ phổ biến rộng rãi cho nhân dân sử dụng, tăng cường ý thức tiết kiệm điện và dùng điện hợp lý.
—————————-
INVERTER LƯU ĐIỆN SINE WAVE 1 PHA
Dưới áp lực của một khả năng cung ứng điện còn yếu và đôi khi không hợp lý, việc cúp / cắt điện cục bộ (dù không quá lâu) là khó tránh khỏi. Do tỷ lệ cán cân năng lượng từ thủy điện > 40% làm cho các tải phụ thuộc chịu ảnh hưởng nghiêm trọng, cắt điện luân phiên là việc thường xảy ra ở vài nơi. Các thiết bị cần thiết cho nhu cầu sinh hoạt và làm việc như máy tính, đèn thắp sáng v.v… mất tác dụng tạm thời nhưng cũng gây rất nhiều trở ngại, ảnh hưởng đến đời sống và tâm – sinh lý – sinh hoạt.
Chúng ta thường nghe bàn râm ran về thiết bị cung cấp điện dự phòng. Trong đó không ít người nói đến máy phát điện chạy xăng, chạy dầu với độ ồn lớn, sử dụng phức tạp và ô nhiễm khói bụi, chi phí nhiên liệu ngày càng đắt đỏ. Một số khác quan tâm đến Inverter lưu điện trữ năng ắc quy với các ưu điểm không khó để nhận biết, là không ồn, không khói bụi, chi phí năng lượng (điện) và chi phí đầu tư thiết bị thấp.
Loạt bài nàycó mục tiêu hướng dẫn tiếp cận cơ sở lý thuyết đến thực tế lắp ráp chế tạo Inverter lưu điện từ thấp đến cao.
I/. Dòng điện.
Chúng ta bắt đầu với một ít kiến thức cơ bản về dòng điện một chiều (DC), dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện xung (PC).
1/. Dòng điện một chiều : Là dòng điện có chiều nhất định theo qui ước từ dương đến âm. Về nguyên tắc, nó có hiệu số điện thế không thay đồi trong điều kiện không tải. Trên đồ thị, dòng điện một chiều biểu diễn thành một đường thẳng song song với trục hoành độ. Tung độ của đường biểu diễn này biểu thị điện áp (hay cường độ) dòng điện một chiều.
2/. Dòng điện xoay chiều : Là dòng điện liên tục thay đổi chiều (giá trị điện áp đỉnh ổn định, thay đổi từ chiều âm sang chiều dương và ngược lại). Thời gian (tính bằng giây) của một chu trình thay đổi từ trị số điện áp 0 đến cực đại, xuống cực tiểu rồi về không gọi là chu kỳ. Số lần thay đổi đó (số chu kỳ) trong một giây gọi là tần số, có đơn vị là Hz (Hertz).
Trong đó dòng điện xoay chiều công nghiệp có dạng hình Sin 50 Hz (hay 60 Hz) với rất nhiều cấp điện áp là dòng điện đặc biệt phổ biến và hữu dụng hiện nay.
Trên dao động ký âm cực, dòng điện xoay chiều công nghiệp thể hiện thành một đường hình Sin đối xứng qua trục hoành độ với biên độ đỉnh dương và đỉnh âm đối xứng qua điểm biên độ bằng không (0).
Điện áp (đo bằng Volt / V) của dòng điện xoay chiều hình Sin, thực chất là điện áp trung bình, có ý nghĩa như là điện áp một chiều có giá trị năng lượng (tích phân) tương đương với dòng điện hình Sin. Trong đó biên độ đỉnh diện áp xoay chiều hình Sin bằng căn 2 lần điện áp trung bình này (V = 1,414 U).
Ví dụ : Điện xoay chiều hình Sin 220V có điện áp đỉnh là :
V = 1,414 x 220 ~ 311V
3/. Dòng điện xung : Là dòng điện liên tục ngắt quãng, đảo chiều hoặc không đảo chiều, biên độ và tần số có thể ổn định hay không ổn định.
Dòng điện xung có qui luật biến đổi chiều với biên độ và tần số ổn định còn gọi là dòng điện “xoay chiều không Sin” hay dòng điện “xoay chiều xung”. Dòng điện xoay chiều xung ngày càng được dùng với rất nhiều ứng dụng và hiệu quả ngày càng phong phú.
Nhận xét :
a- Dòng điện một chiều có thể xem như là dòng điện xung biên dương có tần số vô tận.
b- Dòng điện một chiều cung cấp cho tải không ổn định (công suất thay đổi) làm cho nguồn một chiều thay đổi theo. Lúc đó nguồn một chiều này có mang yếu tố xung, có thể xem như là hỗn hợp của một dòng điện một chiều với một dòng điện xung.
c- Các yếu tố điện cảm và điện dung trong dòng điện xoay chiều hình Sin với dòng điện xoay chiều xung có tương quan Gaussian, trong đa số trường hợp là giống nhau (như cộng hưởng, hài, bộ lọc, biến áp v.v…).
d- Từ các nhận xét trên, ta thấy rằng nếu làm cho dòng điện một chiều dao động bằng một cách nào đó thì có thể dễ dàng tạo ra dòng điện xoay chiều. Đó là nguyên lý của Inverter.
e- Có thể diễn đạt một cách dễ hiểu là, có thể chế tạo Inverter với :
– Một mạch dao động điện tử để có điện áp xoay chiều hình Sin 50 Hz có công suất đủ lớn và hiệu suất đủ cao.
– Tạo ra dao động hình Sin 50 Hz rồi khuếch đại bằng Ampli đến biên độ (đỉnh hình Sin 311V) với công suất cần thiết cho nhu cầu sử dụng.
f- Như vậy, cốt lõi của vấn đề thiết kế chế tạo Inverter, là :
– Do phải tăng biến từ nguồn điện một chiều trữ năng (dùng ắc quy) nên đòi hỏi hiệu suất rất cao. Điều này còn rất cần thiết để linh kiện công suất chỉ dùng rất ít tản nhiệt.
Ví dụ : hiệu suất bộ khuếch đại 40% nghĩa là 60% năng lượng còn lại biến ra nhiệt. Muốn bảo vệ nhiệt cho linh kiện công suất của Inverter 400W (hiệu dụng) phải cần tản nhiệt khổng lồ cho 600W nhiệt năng tiêu tán (hic !).
– Hiệu suất khuếch được quyết định bởi lớp khuếch đại.
II/. Tạo tín hiệu hình Sin 50 Hz (hay 60 Hz).
1/. Tạo tín hiệu hình Sin 50 Hz hay 60 Hz dùng dao động phase shift oscillator (còn gọi là Bubba Oscillator) bằng 4 thuật toán đơn. Tín hiệu hình Sin Bubba thường không ổn định nên ngày càng ít được sử dụng.
2/. Tín hiệu hình Sin tạo bằng kỹ thuật R-2R.
3/. Dùng vi xử lý (Atm hay PIC), hoặc SOC hay PSOC để lập trình tín hiệu hình Sin. Đây là cách hiện đại, giản đơn và hiệu quả nhất, nên được ưu tiên khuyên dùng
Lập trình cho mạch Sine Wave :
; **************************************************************
; * Produces a sinewave on a R/2R-network connected to PORTD *
; * (C)2005 by avr-asm-tutorial.net *
; **************************************************************
;
.INCLUDE "8515def.inc"
;
; Register definitions
;
.DEF rmp = R16 ; Multipurpose register
;
; Start of program source code
;
ldi rmp,0xFF ; Set all pins of port D to be output
out DDRD,rmp
ldi ZH,HIGH(2*SineTable) ; Point Z to Table in flash
ldi ZL,LOW(2*SineTable)
clr rmp
loop1:
nop
nop
nop
loop2:
lpm ; Read from table
out PORTD,R0 ; Write value to port D
adiw ZL,1 ; point to next value
dec rmp ; End of Table reached
brne loop1
ldi ZH,HIGH(2*SineTable) ; Point Z to Table in flash
ldi ZL,LOW(2*SineTable)
rjmp loop2
;
; End of source code
;
; Include sinewave table
;
.INCLUDE "sine8_25.txt"
;
; End of program
;
;
; Sinewave table for 8 bit D/A
; VCC=5.000V, uLow=0.000V, uHigh=2.500V
; (generated by sinewave.pas)
;
Sinetable:
.DB 64,65,67,68,70,72,73,75
.DB 76,78,79,81,82,84,85,87
.DB 88,90,91,92,94,95,97,98
.DB 99,100,102,103,104,105,107,108
.DB 109,110,111,112,113,114,115,116
.DB 117,118,118,119,120,121,121,122
.DB 123,123,124,124,125,125,126,126
.DB 126,127,127,127,127,127,127,127
.DB 128,127,127,127,127,127,127,127
.DB 126,126,126,125,125,124,124,123
.DB 123,122,121,121,120,119,118,118
.DB 117,116,115,114,113,112,111,110
.DB 109,108,107,105,104,103,102,100
.DB 99,98,97,95,94,92,91,90
.DB 88,87,85,84,82,81,79,78
.DB 76,75,73,72,70,68,67,65
.DB 64,62,61,59,58,56,54,53
.DB 51,50,48,47,45,44,42,41
.DB 39,38,36,35,34,32,31,30
.DB 28,27,26,25,23,22,21,20
.DB 19,18,17,15,14,13,13,12
.DB 11,10,9,8,8,7,6,5
.DB 5,4,4,3,3,2,2,2
.DB 1,1,1,0,0,0,0,0
.DB 0,0,0,0,0,0,1,1
.DB 1,2,2,2,3,3,4,4
.DB 5,5,6,7,8,8,9,10
.DB 11,12,13,13,14,15,17,18
.DB 19,20,21,22,23,25,26,27
.DB 28,30,31,32,34,35,36,38
.DB 39,41,42,44,45,47,48,50
.DB 51,53,54,56,58,59,61,624/. Điều biến số xung PNM tạo tín hiệu hình Sin (Pulse Number Modulation), do Wambuakim sáng tạo năm 2007.
Các chùm tín hiệu có số xung tương ứng với biên độ của hình Sin, trực tiếp đưa vào khuếch đại – sửa dạng để hoàn dạng hình Sin.
5/. Dùng IC Sine-PWM làm tín hiệu cơ sở cho khuếch đại PWM như TDS2285; HT1112; HT1212; HT1215; SG3525; SG3532-NE5532 v.v…
6/. Hỗn hợp : Điều biến PWM biên độ đa bậc, dùng đa bậc kết hợp R2R, dùng Counter kết hợp R2R, dùng PNM – đa bậc v.v…
III/. Các lớp khuếch đại công suất dùng trong Inverter.
1/- Khuếch đại lớp A : Toàn bộ tín hiệu hình Sin được khuếch đại đơn biên, phần xoay chiều được nâng áp bằng biến áp đến 220VAC đưa ra tải. Dòng không tải lớp A thường lớn, hiệu suất chung của Ampli lớp A từ 7% đến dưới 22% và chỉ còn được dùng trong giới chơi âm thanh “hi-End” và không thể dùng được trong Inverter.
2/- Khuếch đại lớp B : Tín hiệu hình Sin được tách thành hai biên âm và dương, sau đó đảo pha trở thành hai biên dương rồi khuếch đại riêng rẽ. Sau đó kết hợp để có dòng điện hình Sin rồi nâng áp với biến áp.
Hiệu suất của lớp B từ 18% đến dưới 40% nên cũng không thể dùng cho Inverter.
3/- Khuếch đại lớp C : Trong lớp C, năng lượng của một phần tín hiệu ngõ vào dùng để phân cực cho linh kiện công suất. Do đó ampli lớp C có dòng nghỉ gần bằng không, hiệu suất từ 38% đến 58%.
Lớp C dùng phổ biến trong một số Inverter công suất nhỏ, đặc biệt nguồn Flyback của TV, màn hình máy tính CRT.
4/- Khuếch đại lớp D : Nguyên tắc của lớp D là linh kiện công suất chạy kiểu tắt mở (Switch / On-Off). Vì vậy hiệu suất của lớp D rất cao và là lựa chọn duy nhất cho Inverter.
Inverter lớp D có thể dùng 3 cách sau :
a/. Cách trực tiếp DC-AC.
-a1/ Tín hiệu xung vuông 50 Hz được khuếch đại tăng áp lớp D với biến áp xung. Ngõ ra được sửa dạng thành hình “gần Sin” với cuộn dây L và tụ điện C nên còn gọi là “mod Sin”. Cách này cho chất lượng dòng điện kém, hiệu suất chung chỉ từ 55% đến 65%, và thường chỉ nên dùng dưới 150VA.
Loại Inverter này chỉ dùng được đèn huỳnh quang, đèn compact, máy vi tính, TV LCD v.v… Nếu dùng cho phụ tải động cơ (như quạt máy, motor cỡ nhỏ v.v…) thường chạy yếu, kêu “ò ò” rồi … cháy.
-a2/ Chùm xung tương ứng với từng bán kỳ 50 Hz được khuếch đại và nâng áp bằng biến áp xung đến biên độ 265Vp (đỉnh). Điện áp ngõ ra biến áp được chỉnh lý bằng LC. Cách này có thể đạt hiệu suất 62% đến 70%, có thể dùng từ 150VA đến 500VA.
Cách này khá hơn hẳn loại (–a1) ở trên, ít hao bình hơn và quạt máy cũng …. lâu cháy hơn.
-a3/ Tín hiệu hình Sin được tạo ra rồi lượng tử hóa thành các mức năng lượng theo độ rộng của xung (còn gọi là điều biến độ rộng xung PWM). Khuếch đại công suất lớp D tăng áp trên biến áp xung cho ra điện áp cao và được giải điều biến lớp D để có điện áp ngõ ra 220VAC. Cách này có hiệu suất ~ 68% đến 75%, chất lượng dòng điện xoay chiều có khá hơn (-a1), ít hao bình hơn.
b/. Dùng giải thuật song song (Converter-Inverter) tiến hành với:
-b1/ Converter (Dc – DC): Điện áp accu (12V hay 24V hoặc cao hơn) được nâng áp với biến áp xung và nắn thành điện áp đơn (311VDC) hay điện áp đôi (+/- 311V) bằng khuếch đại lớp D. Hiệu suất phần converter quyết định hiệu suất chung và bắt buộc phải đạt trên 92%.
-b2/ Inverter (DC – AC): Tín hiệu ở 4-b được khuếch đại lớp D:
* Dùng H-Bridge với điện áp đơn. Mạch này dùng với công suất nhỏ và trung bình (dưới 3 KVA), dùng linh kiện công suất chủ yếu là MOSFET. Hiệu suất trung bình 70% đến 82%.
* Dùng nửa cầu với điện áp đôi cho công suất lớn (4 KVA đến vài chục KVA). Linh kiện chủ yếu là IGBT, GTO … Hiệu suất của lớp D theo phương pháp này đạt từ 80% đến 90%.
c/. Lớp D – đa bậc (còn gọi là lớp M, một biến thể của lớp D).
-c1/ Trong “lớp M” thuần túy, tín hiệu được phân thành các bậc, điều biến theo biên độ hình Sin. Sau khuếch đại lớp D, các bậc được kết nối cho ra dòng điện dạng hình Sin ban đầu một cách hoàn hảo.
Hiệu suất của lớp M đạt từ 85% đến 94%, ứng dụng nhiều cho các trạm năng lượng mặt trời, phong điện, điện sóng biển v.v… công suất từ 3 KVA đến 300 KVA.
-c2/ Để cải thiện chất lượng nguồn điện cho nhu cầu cấp điện thương phẩm, tăng hiệu suất và giảm khối lượng Inverter, một kiểu lớp M hỗn hợp (còn gọi là lớp H / Harmonia) phối hợp điều biến đa bậc với điều biến độ rộng xung. Do đó lớp H dễ dàng ổn định điện áp / công suất dòng điện ngõ ra, chất lượng nguồn điện cao hơn cả máy phát nhiệt điện – thủy điện. Dùng SCR, GTO, GCT, ETO hay MTO với hiệu suất từ 92% đến 99%, cấu tạo gọn nhẹ, lớp H có thể được ứng dụng từ 10 KVA đến 1500 KVA hay hơn nữa, hòa pha thẳng vào lưới điện.
Chú ý :
a/. Các hệ thống công suất lớn (từ 5 KVA đến 25 KVA trở lên đều dùng tổ hợp ắc quy có điện áp 336V (28 đơn vị accu 12V) nhằm loại bỏ tiêu hao của khâu Dc-DC.
b/. Khả năng của linh kiện công suất hiện nay :
– Thyristor có thể đến 11kV/5,6kA;
– GTO: 8,0kV/8,0kA.
– IGBT( HVIGBT):3,8kV/1,6kA.
———Còn tiếp———-
Thân ái.
Wambuakim
