LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN, chương 5 pot

Chương 5: Biến tần và nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập NLĐL là thiết bị để biến dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều có tần số cố định hoặc biến thiên.. Các biến tần chia làm h

Chương 5: Biến tần và nghịch lưu

độc lập

Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị để biến dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều có tần số cố định hoặc biến thiên Biến tần (BT) là thiết bị để biến đổi năng lượng xoay chiều tử tần số này sang tần số khác

Các biến tần chia làm hai loại lớn:

- Biến tần trực tiếp: Điện áp xoay chiều u1 (tần số f1) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác Vì vậy biến tần này hiệu suất biến đổi năng lượng cao Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn, nhất là với

mạch ba pha Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc

vào tần số f1 Vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có BT loại này với

phạm vi điều chỉnh tần số f2 < f1 Mặc dù về nguyên tắc có thể

lập BT với f2 > f1, song mức độ phức tạp sẽ tăng lên nhiều

- Biến tần gián tiếp: có khâu trung gian một chiều Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua một bộ lọc rồi mới

được biến trở lại thành điện áp xoay chiều với tần số f2 Việc

phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất BT Song bù lại loại BT này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không

phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số

ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các

loại transitor đã cho phép phát huy tối đa các ưu điểm của BT loại này Vì vậy đại đa số các BT hiện nay là BT có khâu trung

f 1

U

f 2 MẠCH VAN

U

f 1

U

f 2 CHỈNH LƯU LỌC NGHỊCH LƯU

ĐỘC LẬP

a)

b)

gian một chiều Tuy nhiên nếu dùng van tiristo, vẫn còn có một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khóa van

Hình 2.19 Cấu trúc biến tần và nghịch lưu độc lập

a) Biến tần trực tiếp

Trong biến tần trực tiếp đường cong điện áp đầu ra là đường ghép nối các đoạn hình sin của điện áp nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ các van dẫn Các van dẫn trong biến tần trực tiếp được chuyển mạch tự nhiên

Biến tần trực tiếp có hiệu suất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ Cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin

Tuy vậy biến tần trực tiếp cũng có các nhược điểm dễ nhận thấy như: hệ số công suất thấp, số lượng các van bán dẫn ở mạch lực khá nhiều và tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van bán dẫn này

L CB

L CB

P

N

Z t

i CB

Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ roto lồng sóc, các động cơ roto dây quấn cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ v.v

Sơ đồ mạch lực của biến tần một pha tương tự như sơ đồ

mạch lực của chỉnh lưu có đảo chiều dòng điện, hai nhóm van P,

N được nối song song ngược Nguồn cung cấp có thể là một hoặc

hai dây quấn riêng lẻ của thứ cấp máy biến áp BA, hoặc là trực tiếp từ lưới điện, tổng trở tải Zt nối giữa các điểm chung của hai

nhóm van Các nhóm van P, N được điều khiển luân phiên và do

đó trên tải có điện áp xoay chiều với biên độ và tần số sóng cơ bản tùy thuộc vào tham số của tín hiệu điều khiển Các nhóm

van P, N có thể được điều khiển phối hợp chung hoặc điều khiển

riêng Nếu dùng phương pháp điều khiển riêng thì không cần

các cuộn kháng cân bằng Lcb, còn trong trường hợp điều khiển

chung thì các cuộn kháng Lcb làm nhiệm vụ hạn chế dòng điện cân bằng do có chênh lệch giá trị tức thời của điện áp cân bằng giữa hai nhóm van gây ra

Hình 2.20 Biến tần trực tiếp một pha

Biến tần trực tiếp ba pha được hình thành trực tiếp từ ba biến tần một pha, sơ đồ nối các pha tùy thuộc vào sơ đồ nối tải:

hình sao, hình tam giác hoặc là ba pha cách ly nhau Để tiện phân tích làm việc, giả thiết tần số điện áp ra rất nhỏ hơn tần số lưới và thời gian chuyển mạch giữa các van là không đáng kể so với độ dài chu kỳ điện áp Tải của biến tần trực tiếp là động cơ điện xoay chiều nên dòng điện thường chậm pha hơn so với điện áp

b) Nghịch lưu độc lập nguồn dòng

 Nguyên lý làm việc

Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh nghịch lưu nguồn dòng thường dùng các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn

Nguồn cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng điện, dòng điện một chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải Để thực

hiện điều này thường điện cảm Ld phải có giá trị đủ lớn và phải sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện Dòng điện tải có

dạng hình chữ nhật và do trình tự đóng cắt của các van từ V1 đến

V6 quyết định

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

Is = Id

3 2

Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích

Fourier:

Is1 = Id



i S

V 3 V 5

V 4 V 6 V 2

I d

t t t

I d

I d

I d

i S a

i S b

i S c

t 0

t 0

t 0

o

+

U d

L d

a

V 1

b

Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản điện áp được xác định theo điều kiện cân bằng công suất giữa nguồn và tải, bỏ qua các tổn hao trên van và tổn hao do các thành phần sóng hài bậc cao gây ra:

Ud.Id = 3.Us1.Is1.cos1, (2-2) trong đó 1 là góc lệch pha giữa thành phần cơ bản dòng điện và thành phần sóng cơ bản điện áp của tải

Giải đồng thời (2-1) và (2-2) ta được:

Us1 =

1

d

cos

U 6

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nghịch lưu nguồn dòng

Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì trên đồ thị điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các pha

Trong thực tế kỹ thuật thường sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì vậy cần có các mạch khóa cưỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa các pha

Điện áp Dòng điện Đầu ra

mong muốn

U a U b U c

Điện áp nhóm dương (P)

Điện áp nhóm âm (N)

i ap

i an

i a

i b

i a -i b

U t

một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng

Trên hình 2.15 ngoài các tiristo lực T1T6 còn sử dụng các điot cách ly D1 D6 nhằm để cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch

Hình 2.22 Các dạng điện áp cực đại trên tải cảm kháng

Giả thiết ta bắt đầu xem xét quá trình chuyển mạch tại thời

điểm t0 trên hình 2.15, các van T1, T2 đang dẫn, dòng điện chảy liên tục vào pha  và ra pha c của tải, tụ C13 nạp đầy điện áp và có cực tính như trên hình 2.16a quá trình chuyển mạch bắt đầu xảy ra khi phát xung mở cho T3, khi T3 dẫn thì điện áp trên C13

đặt ngược lên T1 làm van này khóa lại Điot D3 chưa dẫn vì tổng điện áp trên C13 và điện áp dây giữa a và b còn đặt ngược trên điot này Dòng điện Id khép mạch qua T3-C13-D1-a-c-D2-T2, tụ

C13được phóng và nạp ngược với dòng điện không đổi và bằng dòng điện Id Khi điện áp trên C13 đạt đến giá trị điện áp dây

Uab thì D3 bắt đầu dẫn, dòng điện pha a bắt đầu giảm và dòng điện pha b bắt đầu tăng lên, sao cho tổng giá trị hai dòng điện

này đúng bằng Id Khi C13 đạt được giá trị điện áp đúng bằng giá trị trước khi xảy ra chuyển mạch với cực tính ngược lại thì D1

khóa hoàn toàn và dòng qua pha b đạt giá trị dòng cung cấp, quá

trình chuyển mạch kết thúc

Quá trình chuyển mạch dòng điện của sơ đồ hình 2.16b về

cơ bản giống như quá trình của sơ đồ hình 2.16a vì chỉ dùng một tụ chuyển mạch, cho cả sáu van mạch lực nên phải dùng các tiristo phụ để lần lượt nạp và phân phối điện áp khóa đến các van Với sơ đồ này có thể thực hiện được các quy luật điều khiển tần số – dòng điện khác nhau theo yêu cầu của truyền động điện mà không làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha

Ta lại xét quá trình chuyển mạch từ T1 sang T3; khi T1, T2 đang dẫn thì tụ C đang dẫn với cực tính ghi trên hình 2.16b Quá

E N

id

-Zt

Ut

i d +

-trình chuyển mạch là lúc phát xung điều khiển vào TL, Tp1, T3

thì TL và Tp1 mở làm cho T1 khóa, dòng điện khép mạch qua Ud

-TL-C-Tp1-a-C-T2 Tụ C phóng và nạp ngược với dòng điện không đổi, khi Uc bằng Uab và trên T3 còn duy trì dòng điều khiển thì T3 bắt đầu dẫn dòng qua pha b, dòng điện pha a giảm dần và dòng điện pha b tăng dần sao cho tổng của chúng đúng bằng dòng điện Id Kết thúc quá trình chuyển mạch thì các van

TL, Tp1 tự khóa, van T3 nhận toàn bộ dòng điện Id

Để bảo đảm điện áp trên tụ C có giá trị và cực tính đúng

yêu cầu trước mỗi lần chuyển mạch cho nhóm van số lẻ cần phát xung mở Tn2, Tn4

c) Nghịch lưu điện áp

Nghịch lưu điện áp một pha

Hình 2.17 trình bày NLĐA một pha sơ đồ cầu tải RL với các đồ thị làm việc

Nguyên lý làm việc:

Các van T1T4 được điều khiển theo cặp T1T3, T2T4 lệch pha nhau 180o ở nửa chu kỳ đầu điều khiển mở T1T3: điện áp nguồn sẽ đặt lên tải với cực tính xác định ta có ut = EN Dòng điện chảy từ cực dương nguồn qua T1, Z1, T3 về cực âm nguồn

-E N

+

Đ 1

Đ 4

T 4

Đ 2

T 2

T 5

U A

Z C 0

Hình 2.23 Nghịch lưu điện áp một pha

Đến thời điểm T/2 (hoặc ) ta đảo trạng thái điều khiển cho T1T3 và T2T4 dẫn Nhưng do tải có tính cảm nên dòng điện không đảo chiều ngay được Năng lượng tích lũy ở điện cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ, lúc đó dòng điện buộc phải thoát qua các điot Đ2, Đ4về nguồn theo đường Đ2 cực dương EN -qua nguồn EN xuống cực âm (hoặc qua tụ C0)-Đ4 (Một phần dòng tải sẽ qua T2, T4 theo chiều ngược) Như vậy do Đ2, Đ4 và

T2, T4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay ut =- EN, song dòng điện it vẫn duy trì chiều cũ cho đến thời điểm t2 mới đảo chiều Đến điểm 2 lại đỏa trạng thái, quá trình diễn ra tương tự: dòng sẽ duy trì chiều cũ một đoạn bằng t1 nhờ các van Đ1, Đ3, T1, T3 rồi mới đảo chiều Qua một chu kỳ tải nhận được điện áp và dòng điện là xoay chiều, đây chính là nguyên lý nghịch lưu

Hình 2.24 Sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha

Nghịch lưu điện áp ba pha

NLĐA ba pha thường dùng sơ đồ cầu, trong đó đôi lúc người ta dùng ba cầu một pha đấu thành mạch ba pha Các quá trình điện từ trong NLĐA ba pha phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: đặc tính tải, cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra, nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển

Sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha cầu trình bày ở hình 2.18 Các phương pháp điều khiển tương tự như NLĐA một pha Tuy nhiên thường dùng nhất là kiểu điều khiển cho góc dẫn của van:

 = 180o và  =120o Còn tải có thể đấu sao hoặc tam giác