luân văn tốt nghiệp bộ biến tần ba pha

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó, các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều

Trang 1

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Đại Học Cần Thơ Bộ Môn Viễn Thông-Tự Động Hóa

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề Tài :

BỘ BIẾN TẦN BA PHA

1/2003

Trang 2

LỜI CẢM TẠ -—– -

Luận văn tốt nghiệp là một bài học quan trọng và đầy ý nghĩa đối với

em Để hoàn thành được bài học này, em gặp không ít khó khăn và vất vả, có những lúc phải trùng bước Nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo và sự giúp đỡ tận tình

của quí thầy cô Khoa Công Nghệ Thông Tin và của các bạn trong lớp, cuối

cùng em cũng hoàn thành Luận văn của mình

Bằng tất cả tấm chân tình của mình, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến :

Thầy ĐOÀN HÒA MINH đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên

em

Thầy LÊ THÀNH NGHIÊM đã nhận lời phản biện cho em

Các bạn cùng làm luận văn trong lớp đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Trần Minh Toàn

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-—– -

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

-—– -

Trang 5

ABSTRACT

-—– -Nowadays, frequency conversion techniques is applied broadly in real life, especially in a variety of fields such as auto-controlling, thremo-electricity technic… Frequency conversion techniques were manufactured and produced with high power which can go up to millions of watt and the frequency can be adjusted in wide band from tens of Hz up to thousands of Hz

The aim of the theris is to learn more deeply about the principle of the structure of the frequency conversion system and realife an product to illustrate for the learned theory

The requirement of the theris is to design and assemple a three-phase frequency conversion system has some criterias : use directly 220V/50Hz electric source, power 400VA, frequency can be changed from 10Hz to 200Hz

The frequency conversion system include exciting pulses transmitting circuit and power circuit Specially, we program the micro-controller AT89C51 in order to create three exciting pulses, each pulse is dephased from another in 1200 In the power circuit, we use power components which can be turned off by a pulse as BJT After researching and fitting up process, I have successfully created a frequency conversion system with 400VA power, frequency can change from 10Hz

to 200Hz and use 110V AC electric source

Trầ n Minh Toàn

Trang 6

MỤC LỤC -—– -

Giới Thiệu Đề Tài 1

I Mục tiêu và yêu cầu

1 Mục tiêu

2 Yêu cầu

II Giới thiệu đề tài

Chương I : Bộ Nghịch Lưu 3

I Giới thiệu Bộ nghịch lưu

II Bộ Nghịch lưu áp

III Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

IV Bộ nghịch lưu áp với quá trình chuyển mạch phụ thuộc áp nguồn

Chương II : Bộ Biến Tần 15

I Giới thiệu

II Bộ biến tần gián tiếp

1 Tổng quan về bộ biến tần gián tiếp

2 Sơ đồ biến tần một pha

a Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa

b Sơ đồ dùng hai transistor

c Sơ đồ cầu một pha

3 Sơ đồ biến tần ba pha

Chương III : THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN BA PHA 31

I Mạch điện:

1 Sơ đồ khối của bộ biến tần

2 Chọn bộ nghịch lưu và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu

4 Sơ đồ chi tiết

a Mạch tạo xung kích

b Mạch hiển thị

c Mạch công suất

d Sơ đồ khối toàn mạch

II Chương trình tạo xung kích và điều khiển bộ biến tần

1 Lưu đồ giải thuật

2 Chương trình điều khiển

Trang 7

Chương IV: Kết Quả Đạt Được _ Kiến Nghị 45

Phụ lục : IC Vi Điều Khiển 8951 46 Tài Liệu Tham Khảo

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU -—– -

Kỹ thuật biến tần đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là trong các lĩnh vực truyền động điện, điều khiển tự động, kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần,… Các thiết bị biến tần đã được chế tạo và sản xuất với công suất lớn có thể lên đến hàng Mwatt và tần số có thể điều chỉnh được trong một dải rộng từ vài chục Hz đến vài KHz

Trong các giáo trình Điện tử công suất bậc đại học đã trình bày về mặt nguyên tắc hoạt động các bộ biến tần Nhưng từ lý thuyết đó để thiết kế và lắp đặt một bộ biến tần thực tế còn phải gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu sáng tạo vì các tài liệu về kỹ thuật biến tần hiện nay chưa được phổ biến rộng rãi, nhất là các thiết bị biến tần ba pha có công suất lớn, có khả năng thay đổi tần số trong một dãi rộng

Một khó khăn khác là tìm và chọn linh kiện thích hợp để lắp đặt bộ biến tần với linh kiện không đồng bộ do mua lẻ trong nước

Tôi vẫn mong muốn thực hiện đề tài này mặc dù có thể bộ biến tần được lắp đặt không thật hoàn chỉnh Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu sâu hơn nguyên tắc cấu tạo của bộ biến tần và tạo ra một sản phẩm minh họa cho phần lý thuyết đã học, từ đó giúp cho sinh viên có đủ kiến thức và kỹ năng để tiếp cận các bộ biến tần thực tế khi ra trường

Điều khó khăn nhất trong kỹ thuật biến tần ba pha có lẽ là việc tạo ra xung điều khiển và kết nối các xung điểu khiển này vào mạch công suất Khi tìm hiểu phần lý thuyết tổng quát, tôi quyết định chọn loại biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp và điều khiển các công tắc (linh kiện công suất) bằng phương pháp biến điệu độ rộng xung sin Mạch tạo xung điều khiển được thực hiện bởi một vi điều khiển và có thể lập trình để phát xung theo ý muốn Như vậy sẽ thuận tiện và đơn giản hơn lắp ráp mạch tạo xung dùng kỹ thuật tương tự và linh kiện rời

Do đây là lần đầu tiên lắp ráp và thiết kế bộ biến tần cho nên sẽ không tránh khỏi những sai sót và chưa thật hoàn chỉnh Rất mong được quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này được hoàn thiện hơn

Cần Thơ, ngày 23 tháng 01 năm 2003

Trần Minh Toàn

Trang 9

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

2 Yêu cầu:

Thiết kế và lắp đặt một bộ biến tần ba pha có các tính năng:

- Sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V/50Hz

- Công suất 0.5 HP=268V.A

- Tần số của nguồn điện ra có thể thay đổi trong khoảng từ 10Hz đến 200Hz

II GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI :

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu sâu hơn về bộ biến tần và tạo ra được sản phẩm để minh họa cho phần lý thuyết đã được học ở trường, từ đó tôi đã chọn đề tài này để làm luận văn tốt nghiệp và mong rằng luận văn này sẽ bổ sung phần nào kiến thức về bộ biến tần và là tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên sau khi đã được học về bộ biến tần

Phần quan trọng nhất của bộ biến tần có lẻ là mạch tạo xung kích và mạch công suất Ở mạch tạo xung kích ta có thể thiết kế theo dạng tương tự và linh kiện rời Nhưng vấn đề ở đây là cần luôn luôn tạo ra được ba xung kích lệch pha nhau

1200 khi ta thay đổi tần số của điện thế ngỏ ra, điều này thì kỹ thuật tương tự không đáp ứng được vì độ lệch pha của điện thế ngỏ ra luôn luôn thay đổi khi ta thay đổi tần số Từ đó, ta chọn mạch tạo xung kích bằng việc lập trình trên vi điều khiển

8951, công việc sẽ trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn Chương trình điểu khiển sẽ được đề cập trong phần sau

Ở mạch công suất ta chọn bộ nghịch theo dạng cưỡng bức, điều này đòi hỏi các linh kiện bán dẫn phải có tính chất kích ngắt Do đó, ta chỉ có thể chọn linh kiện BJT hoặc MOSFET MOSFET có điểm lợi là dòng kích nhỏ, chịu được công suất lớn, ổn định, tổn hao năng lượng thấp Nhưng khó khăn ở đây là sự phân cực điện thế giữa các chân của MOSFET cần phải có sự hổ trợ của các biến áp Từ đó, ta

Trang 10

thấy việc chọn linh kiện BJT sẽ trở nên thích hợp và tiện lợi hơn bằng cách sử dụng từng cặp BJT đối xứng bổ túc

Vấn đề còn lại ở đây là liên kết mạch tạo xung kích và mạch công suất Ta có thể chọn Opto, biến thế hoặc nối trực tiếp Khi chọn Opto thì do ta không tìm được Opto thích nên khi sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V/50Hz có thể sẽ có dòng rỉ qua Opto và làm chết các linh kiện công suất Còn khi chọn biến thế thì điều khó khăn là việc tạo ra các biến thế sao cho phải giống nhau và các biến thế thì lớn cho nên việc lắp ráp sẽ trở nên cồng kềnh, không tiện lợi Từ đó, ta chọn cách nối trực tiếp mạch tạo xung kích và mạch công suất

Trang 11

Chương I:

BỘ NGHỊCH LƯU

-—– -I GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU:

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngỏ ra là điện áp hoặc dòng điện Trong trường hợp đầu, bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và trường hợp sau gọi là bộ nghịch lưu dòng

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng điện Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngỏ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần Ứùng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng để trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS Điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt

do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải Linh kiện bán dẫn khi đó có thể chọn là thyristor thông thường

Trang 12

II BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngỏ ra Trong các trường hợp khảo sát dưới đây ta xét bộ nghịch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức

Nguồn điện áp một chiều có thể là acquy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó, các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode nhằm tạo điều kiện thuận lợi quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

• Bộ nghịch lưu áp một pha:

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu chứa 4 công tắc và 4 diode mắc đối song (hình 1.a)

S2 S4

S1

-D1

S3,S4 S1,S2

D2 D1

2

6 3

S2 S1

-uz

S1

-

Trang 13

-Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Mạch gồm hai công tắc và hai diode mắc đối song với chúng Mạch tải và ngỏ

ra của bộ nghịch lưu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia

Trong trường hợp không sử dụng máy biến áp cách ly, nguồn điện áp một chiều cần thiết kế với nút phân thế ở giữa, đây là mạch nghịch lưu áp nửa cầu (hình 3)

• Bộ nghịch lưu áp ba pha:

Trong thực tế mạch bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu Mạch chứa 6 công tắc S1, S2,…,S6 và 6 diode đối song D1, D2,…,D6

Tải ba pha có thể mắc ở dạng hình sao hoặc tam giác

U/2

u U/2

Hình 4

• Phân tích điện áp ngỏ ra của bộ nghịch lưu áp:

Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:

Trang 14

Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải uz1, uz2, uz3 Ta có:

Cộng các hệ thức trên và để ý rằng uZ1+uZ2+uZ3=0, ta có:

u12=u10-u20

u23=u20-u30

u31=u30-u10

nghịch lưu áp ba pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian

u10, u20, u30

cùng pha: gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1,S4), (S3,S6),(S5,S2) là các cặp công tắc cùng pha

theo qui tắc đối nghịch nếu như hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép

thế của các phần tử trong mạch cho như hình vẽ (hình 4) Giả thiết các công tắc cùng pha được kích đóng theo qui tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu

Trang 15

Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị +U/2 nếu công tắc lẻ của pha được kích đóng và –U/2 nếu công tắc chẳn được kích không phụ thuộc trạng thái dòng điện

1/ Điện áp trên tải được xác định hoàn toàn nếu ta biết được giản đồ kích đóng các công tắc và điện áp nguồn Do đó, ta có thể điều khiển điện áp ngỏ ra của bộ nghịch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc

2/ Nếu các cặp công tắc cùng pha không được kích đóng theo qui tắc đối nghịch, dạng điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham số tải) Đây là trường hợp kích đóng do ý muốn đối với tải dạng cộng hưởng Dòng điện có thể ở trạng thái liên tục hoặc gián đoạn

Ta cần chú ý rằng, một công tắc được kích đóng không có nghĩa là nó sẽ dẫn điện Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể xảy ra trường hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua diode mắc đối song với công tắc được kích đóng

3/ Dạng dòng điện được xác định dựa trên phương trình mạch tải Ví dụ đối với tải đối xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải

Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu tương tự như bộ nghịch lưu áp ba pha Hai cặp công tắc (S1,S4) và (S2,S3) tương ứng với hệ thống hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình 5)

-O

D2

+

-L/2

2

-S3 S1

Trang 16

22

20 10 1

u u u

10 20 2

u u u

Quá trình điện áp và dòng điện được vẽ trên hình (hình 6):

Trang 17

III CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau sau đây

1/ Phương pháp điều chế độ rộng xung dạng sin (Sin PWM):

Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: sóng điều chế tần số cao và sóng điều khiển dạng sin Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng điều chế Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẳn được kích đóng

Sóng điều chế có thể ở dạng tam giác Tần số điều chế càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt càng nhiều Tuy nhiên, tần số cao làm cho tổn hao phát sinh

do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian ton, toff nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số điều chế Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngỏ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp một pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng ở hình trên(hình 6), ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau 1/2 chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau) Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng Ví dụ: cặp công tắc (S1S4), còn cặp (S3S2) được kích đóng ngược lại Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4)

Trang 18

Hình 7: Bộ Nghịch Lưu Aùp 1 Pha- Điều Chế Độ Rộng Xung Dạng Sin

2/ Phương pháp điều chế độ rộng xung dạng vuông (Square PWM):

Giản đồ kích đóng các công tắc được thiết lập tương tự như trường hợp điều chế độ rộng xung dạng sin Sóng điều khiển có dạng chữ nhật có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ Do dạng sóng điều khiển không sin nên các sóng hài bậc cao chứa trong dạng điện áp ở ngỏ ra của bộ nghịch lưu áp có biên độ khá lớn so với biên độ sóng hài cơ bản Vì lý do trên, phương pháp điều chế độ rộng xung dạng vuông rất ít khi được dùng trong thực tiễn

UP

IG1=IG2

UDK

Trang 19

3/ Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM):

Aûnh hưởng của một số sóng hài bậc thấp chứa trong áp ra có thể khử bỏ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu Giản đồ kích đóng các công tắc được thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích đóng các linh kiện

Biên độ các sóng hài có thể xác định qua khai triển chuỗi Fourier dạng sóng áp ra:

4/Phương pháp điều khiển theo dòng điện:

Giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu của tải và dòng điện thực tế đo được (hình 9)

-6 7

4

& TAO XUNG KICH

RI

MACH SO SANHKHAU HIEU CHINH

Trang 20

Phương pháp điều khiển theo dòng điện có thể thực hiện với tần số đóng ngắt các công tắc cố định Trên hình vẽ trên (hình 9), độ sai biệt giữa tín hiệu dòng điện đặt iyc và tín hiệu dòng điện đo được tác động lên khâu hiệu chỉnh dòng điện Tín hiệu áp điều khiển ở ngỏ ra của nó được so sánh với tín hiệu sóng điều chế tần số cao và từ đó tác động lên xung kích cho các công tắc

Bộ nghịch lưu áp điều khiển theo dòng điện , còn được gọi là bộ nghịch lưu dòng điện nguồn điện áp, được ứng dụng trong điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển hệ bù công suất phản kháng hoặc làm nguồn cung cấp cho tải với hệ số công suất cao

5/ Phương pháp điều rộng:

Phương pháp điều rộng hay phương pháp điều chế độ rộng xung đơn là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế độ rộng xung Trong mỗi nửa chu kỳ áp ra chỉ có một xung điện áp Độ lớn điện áp cho tải được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung điện áp Phương pháp này chỉ áp dụng điều khiển bộ nghịch lưu một pha Tác dụng sóng hài bậc cao khá lớn

6/ Phương pháp điều khiển theo biên dộ:

MACH KICH TRE

TAO XUNG KICH

Trang 21

một nửa chu kỳ áp ra Mạch điều khiển kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp vì thế đơn giản

Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn được gọi là bộ nghịch lưu áp 6 bước (six-step voltage inverter)

Tuy nhiên sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp tải khá cao, do đó hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp điều biên, nhất là ở tần số thấp

Nếu sử dụng thyristor kết hợp với bộ chuyển mạch làm chức năng công tắc trong bộ nghịch lưu áp, và nếu bộ chuyển mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp một chiều Phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải trong phạm vi áp nhỏ

Quá trình chuyển mạch của các thyristor phụ thuộc vào điện áp nguồn một chiều Điều kiện để mạch hoạt động được với quá trình chuyển mạch phụ thuộc là

Trang 22

tải mang tính dung kháng, dòng điện phải vượt trước pha so với điện áp của tải, một khoảng thời gian đủ để thyristor vừa bị ngắt khôi phục khả năng khoá của nó

Tương tự như trường hợp một pha, tải của bộ nghịch ba pha phải mang tính dung kháng, ví dụ động cơ đồng bộ kích từ dư Mô hình động cơ ở dạng gồm cuộn kháng nối tiếp với sức điện động xoay chiều Giản đồ kích đóng các thyristor và đồ thị điện áp, dòng điện tải cũng như thyristor được vẽ như trên hình(hình 12) Khi V1,

V2 đang dẫn, việc kích đóng V4 sẽ làm ngắn mạch nguồn điện áp Dòng điện phải vượt trước pha so với điện áp tải một thời gian đủ để thyristor khôi phục khả năng khoá Từ đồ thị điện áp và dòng điện qua thyristor, ta thấy điện áp gây ra quá trình chuyển mạch chính là điện áp nguồn một chiều

-S3 S3

S6 S4

S1

D1

L

C +

D3

Trang 23

PHÂN LOẠI:

1/ Theo tổng số pha, các bộ biến tần:

a/ Một pha b/ Ba pha c/ m pha

2/ Thep cấu trúc mạch điện, các bộ biến tần:

a/ Gián tiếp: (mạch chứa khâu trung gian một chiều), trong đó ta phân biệt

biến tần dùng bộ nghịch lưu áp và biến tần dùng bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với quá trình chuyển mạch cưỡng bức

b/ Trực tiếp: (không có mạch trung gian một chiều) còn gọi là

cycloconverter Bộ biến tần trực tiếp có thể hoạt động

- Với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài: tín hiệu điều khiển có dạng hình thang hoặc dạng điều hoà

- Với quá trình chuyển mạch cưỡng bức (ít gặp)

Trường hợp quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn có thể chia làm hai trường hợp: trường hợp với dòng điện cân bằng và trường hợp không có dòng điện cân bằng

Trong giới hạn của luận văn này ta chỉ đề cập đến bộ biến tần gián tiếp

Trang 24

III BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP:

1/ Tổng quan về bộ biến tần gián tiếp:

Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm có bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngỏ vào và bộ nghịch lưu thực hiện việc chuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dòng xoay chiều

ở ngỏ ra Bằng cấu trúc như trên, ta có thể điều khiển tần số ra một cách độc lập không phụ thuộc tần số vào

Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ vài kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa của chúng có thể lên đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần)

• Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:

Cấu trúc mạch được vẽ như sau:

Do tác dụng của diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặt trên tụ chỉ có thể đạt các giá trị dương Tụ điện còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải của bộ nghịch lưu và mạch trung gian bằng cách cho phép dòng id2 thay đổi chiều nhanh không phụ thuộc vào chiều của dòng id1

- Bộ nghịch lưu áp: dạng một pha hoặc ba pha Quá trình chuyển mạch của

bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức Trong trường hợp đặc

~

f2

Cf

-~

f1

Lf-

BCL KEP

f1 f1

BO NGHICH LUU AP BCL DON

Cf

BO NGHICH LUU AP

Trang 25

biệt bộ nghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài Từ đó, ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài

- Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc

ba pha Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộ nghịch lưu ba pha, bộ biến tần thực hiện cả chức năng bộ biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều ra bộ chỉnh lưu phải là bộ chỉnh lưu điều khiển Ngoài ra điện áp ra của bộ nghịch lưu còn có thể điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực hiện trực tiếp ngay trên bộ nghịch lưu, trong trường hợp này, bộ chỉnh lưu không cần điều khiển Nếu ta thực hiện truyền năng lượng theo hai chiều qua bộ biến tần, bộ biến tần thường trang bị bộ chỉnh lưu kép(hình 16.b) Phương pháp giải quyết ít tốn kém hơn được vẽ trên hình sử dụng bộ chỉnh lưu đơn(hình 16.a) Năng lượng do tải trả về tụ mạch một chiều qua bộ nghịch lưu sẽ được tiêu thụ trên điện trở

• Bộ biến tần gián tiếp dùng bộ nghịch lưu dòng:

- Mạch trung gian: chỉ có cuộn cảm Lf Nhờ nó, mạch trung gian thực hiện chức năng nguồn dòng điện của bộ nghịch lưu Dòng điện của mạch trung gian có chiều không thay đổi Dòng được cuộn cảm nắn Cuộn cảm còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải tiêu thụ và mạch trung gian Cuộn cảm tạo điều kiện cho quá trình thay đổi chiều của điện áp ud2 xảy ra nhanh chóng, không phụ thuộc vào điện áp ud1

- Bộ nghịch lưu dòng: một pha hoặc thường gặp hơn ở dạng ba pha Tuỳ theo

trường hợp, có thể là bộ nghịch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc về bản chất là bộ chỉnh lưu có quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều của tải và hoạt động trong chế độ nghịch lưu Từ đó, ta phân biệt các bộ biến tần với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển mạch phụ thuộc

cần đòi hỏi phải truyền năng lượng theo hai chiều, ta chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu được Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển Điện áp và dòng điện tải có thể điều khiển bằng phương pháp điều khiển theo biên độ vì thế các bộ chỉnh lưu không điều khiển không thể dùng được ở đây Để giảm bớt hiện tượng quá điện áp trên các chi tiết bán dẫn của bộ nghịch lưu, ta có thể sử dụng bộ nghịch lưu có chứa mạch tích năng lượng

-f2

Trang 26

2/ Sơ đồ biến tần một pha:

a/ Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa:

Biến tần một pha dùng máy biến áp có điểm giữa

Sơ đồ trên hình 18 gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyristor có anốt nối vào cực dương của nguồn nuôi E, thông qua hai nửa cuộn dây

sơ cấp máy biến áp Ở đầu vào bộ biến tần, người ta đấu nối tiếp một điện cảm Ld

để ngăn chặn tụ điện C phóng điện vào nguồn E khi chuyển mạch thyristor, và cũng để hạn chế đỉnh điểm của dòng điện ic khi khởi động Vì C, tụ điện chuyển mạch mắc song song với tải, thông qua máy biến áp, nên sơ đồ còn có tên bộ biến tần song song Dây quấn sơ cấp máy biến áp chia thành hai nửa đều nhau, mỗi nửa có

n1 vòng Thứ cấp máy biến áp có một cuộn dây n2 vòng Tỉ số biến áp là m=n2/n1 Điện áp trên tải ký hiệu là u, dòng điện tải ký hiệu là i

Hoạt động của sơ đồ:

Khi cho xung điều khiển mở T1, điểm a được T1 nối với cực O của nguồn E Lúc này vc-va=u1=E Do hiệu ứng của máy biến áp tự ngẫu, ta cũng có ve-vc=u1=E Như vậy, tụ điện C được nạp đến điện áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải Bây giờ nếu cho xung điều khiển mở T2, thyristor này sẽ đặt điện thế điểm e vào catốt của T1, khiến T1 bị khóa lại; tụ điện C sẽ bị nạp ngược để sẵn sàng khóa T2 khi ta cho xung điều khiển mở T1 lần sau Bên phía thứ cấp máy biến áp ta sẽ nhận được điện áp hoặc dòng điện dạng “sin chữ nhật”, mà tần số của chúng phụ thuộc vào nhịp điệu phát xung điều khiển mở T1, T2

- Xuất phát từ trị số vôn/vòng như nhau của máy biến áp, ta có:

2 1

1

n

U n

U

=

1 1

1

2

.U

m U n

T1

+ C

+E

c

-Ld

Trang 27

- Xuất phát từ phương trình cân bằng sức từ động của máy biến áp, ta có:

n1.i1 – n1.i2 = n2.i

i1 – i2 = m.i Đối với trường hợp đang xét, có thể viết phương trình sau:

u 1

= , nên:

dt

du C Rm

u

2 14

+

=

dt

du C R

u

i d 1 1

''+

di L dt

di

L d + d + 1 =

2 1

' (7)

i2 = C’R’

dt

di1 (8) Thế (8) vào (7) được:

d

d C R L

E L

C

i dt

di R C dt

i d

'''

''

2 1

2

=+

+ (9) Viết (9) dưới dạng toàn tử Laplace:

T1

C' Ld

0 +E

R'

Trang 28

p L R C

E p

I L C

i R C p pI R C i

p p I p

d

d ' ''

10''

1'

'

10

1

R C

2 2

'

1

a L

'

=

a p R R C

E a

p

p R

E a

p p L R C

E I

d p

Vận dụng các quan hệ hàm ảnh – hàm gốc, cuối cùng ta có:

E

ω

ω sincos

'

2'

E E i R

ω

ω sincos

.2'.1

' , (12)

Để xác định Ld và C một cách đơn giản, người ta thường coi thyristor sẽ khóa chắc chắn sau 1/6 chu kỳ dao động riêng của mạch và coi hệ số suy giảm e(-at) trong các biểu thức trên còn bằng 0.1 sau một chu kỳ dao động riêng Chu kỳ dao động riêng là T=2π/ω

Với cách đặt vấn đề như trên, ta có:

6

2π

ω t off =

1.0/ 2

Hình 20: Sơ đồ đẳng trị trường hợp tải cảm kháng L+R

Sơ đồ đẳng trị trình bày trên hình 20 Vì Ld lớn nên id=Id, ta có sơ đồ biến tần nguồn dòng, dòng điện tải có dạng “sin chữ nhật”

Trang 29

Từ sơ đồ đẳng trị, có thể viết các phương trình sau:

Id=i1+i2, (13)

dt

di R C dt

i d L C

2 1 2

2 = ' ' + ' ' (14)

C L

i C L dt

di L

R dt

i d

.''

1'

'

1'

'

1 1

2 1 2

=+

+ (15) Viết (15) dưới dạng toán tử Laplace và đặt:

a=R’/2L’; ω2=(1/C’L’)-a2; i1(0)=-Id=-E/R’, ta có:

1( ) [ ( )2 2] ( )2 2 ( )2 2

'

I L

R a

p

p I a

p p L C

I p

+

−++

ω

ω sincos (16)

t a

a tt e

I R I R dt

di L i R

'

2'

''

2 2 1

b/ Sơ đồ dùng hai transistor:

Sơ đồ biến tần một pha, dùng hai transistor được trình bày trên hình 21.a:

Hình 21: Biến tần một pha, dùng hai transistor, tải thuần trở

T1 và T2 là hai transistor công suất Điện áp tải ký hiệu là u, dòng tải là i

Khi T1 mở T2 bị khóa:

u=E/2, dòng tải i=E/2R, (18)

Trang 30

Khi T2 mở, T1 bị khóa:

u=-E/2, dòng tải i=-E/2R, (19) Điện áp tải có dạng sin chữ nhật, là một hàm lẻ, chu kỳ 2L=2π

Khai triển Fourier của điện áp tải như sau:

= 1sin + 2sin2 + 3sin3 + + sin +

L

n b L

b L

b L b

L

b

0sin)

π 0

1

2.sin2

d

E b

b2=b4=0

π

3

23

E

b =

)5sin5

13sin3

1(sin

2

t t

Quan hệ giữa các dòng điện như sau:

Từ sơ đồ ở hình 21.a, có thể viết:

uc1+uc2=E

02

dt

du dt

du c c

02 2 1

C

i C

i c c

Vì C1=C2 nên:

ic1= -ic2 (21)Tại điểm M có thể viết: i=ic2 - ic1

Vận dụng (21), ta có:

ic2= i/2, (22)

ic1= -i/2, (23) Dòng nguồn, ký hiệu là is Khi T1 mở, T2 khoá, tại điểm P có thể viết: is=i+ic1

Vận dụng (23), (18), ta có:

is=i/2=E/4R (24)

Trang 31

Khi T2 mở, T1 khoá, ta có: is=ic1

Vận dụng (23), (19), ta có;

is= -i/2 = E/4R , (25) Như vậy, khi T1 và T2 luân phiên mở cho dòng tải là i chảy qua thì nguồn E luôn luôn cung cấp một dòng điện hằng is=Is=E/4R

• Trường hợp tải L+R:

Hình 22: Biến tần một pha dùng hai transistor, tải L+R

Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết ở chế độ xác lập, T2 đang dẫn dòng, dòng điện tải là i đang chảy theo mạch M - M1 - T2 - N - M

Nếu khi t=0, i= -Im, ta cắt xung điều khiển đặt ở B2 và tác động xung điều khiển đặt vào B1., kết quả sẽ là T2 bị khóa lại, T1 vẫn tạm thời ở trạng thái khoá vì dòng tải không thể đảo chiều đột ngột, nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch M - M1 - D1 - P -M

Diode D1 làm ngắn mạch T1 nên transistor này vẫn ở trạng thái khoá Khi t=t1

là lúc i=0, D1 thôi dẫn dòng, T1 bắt đầu dẫn dòng Bây giờ dòng điện tải đảo chiều và chảy theo mạch M1 - M - P - T1 - M1

Trong khoảng 0<t<T/2 có thể viết phương trình:

2

R dt

p.I(p) - i(0)+a.I(p)=

p R

E a

.2

N

D1

Trang 32

trong đó i(0)= -Im

I(p)=

a p

I a p p

a R

+

−+ )(

.2

Biểu thức của dòng tải:

m at

e I e R

−

1(2

Khi t=T/2, i=Im, do đó:

Im=

2 2

1

at

e

e R

1 ln( 2 . )

E

I R E R

Điều kiện cộng hưởng của mạch R+L+C nối tiếp là:

C

L ω

ω = 1

hoặc ω2LC=1 , (29) Điều kiện này cho phép xác định tụ điện C khi đã ấn định tần số cộng hưởng:

)2(

1

f L

12

0

t k k

E u

k

∑∞

=

++

=

• + R j k L k C

Z

k ω (2 1)ω

11

2)

1 2 (

D1

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	323,72 KB