Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Biến tần trực tiếp Tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của điện áp lưới, mỗi lần nối tài vào nguồn bằng một phần từ đóng cắt, không qua một kho năng lượng trung gian nào.. Phân tích l

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Chu'O'ng 3 PHÂN TÍCH LựA CHỌN PHƯƠNG ÁN BÔ

có thể làm việc với bất kì nguồn điện xoay chiều nào

Biến tần được phân loại như sau:

• Biến tầu trực tiếo: Bộ biến đổi trực tiến từ tần số,điện áp lưới sang điện áp tải

chiều(chinh lưu), sau đó lại biến từ điện áp một chiều thành xoaychiều (nghịch lưu)

Biến tần gián tiếp được chia thành 3 loại chính:

1 Biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện

I Biến tần dùng chinh lưu điều khiển đầu vào và nghịch lưu nguồn áp

I Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào và nghịch lưu làm việc điều chế (SPWM)

3.1.1 Biến tần trực tiếp

Tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của điện áp lưới, mỗi lần nối tài vào nguồn bằng một phần từ đóng cắt, không qua một kho năng lượng trung gian nào Biến tần trực tiếp có khá năng trao đối năng lượng với lưới theo cả hai chiều Đây là đặc tính tru việt nhất cùa biến tần trực tiếp so với biến tần gián tiếp, nhất là đối với các hệ điện cơ cồng suất lớn, từ hàng trăn KW đến vài MW Ngoài ra tồn hao công suất trong biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua phần từ đóng cắt, không thông qua khâu trung gian nào

Tuy nhiên số lượng van ở biến tần trực tiếp lớn hơn và hệ thống điều khiển cũng phức tạp hơn nhiều, tần số điện áp ra bị giới hạn trên ở một phần hai tần số lưới Ngoài ra biến tần trực tiếp thừa hưởng những nhược điểm của các sơ đồ chinh lưu là dòng đầu vào

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

30

không sin, hệ số công suất thấp Khi phụ tái có công suất rất lớn từ 1000 đến 30000

KW sử dụng biên tân là phù hợp vì khi đó số lượng van sừ dụng và độ phức tạp của hệ thống điều khiển không còn là trờ ngại, vì vấn đề chính là khả năng điều chỉnh công suất và hiệu suất của bộ biến đồi

Do đó trong phạm vi đồ án này với tái có công suất trung bình như vậy ta sẽ không chọn biến tằn loại trực tiếp này

3.1.2 Biến tần gián tiếp

Hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu để biến nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện một chiều, tích trữ trong các kho từ (đùng cuộn cảm), hoặc trong các kho điện (dùng tụ điện) sau đó lại dùng bộ nghịch lưu để biến

_ _ -2-, - _ „Ị, là,, T-H- — r~: - £ Ị -1.: 2,- „ÍỊ Ị.Ị.S,, 4P _

ĩìguưn mụĩ oiìĩcu ĩiiâitii nglìũĩỉ xoay Ciììcu iviiaiì II ưng gìãii ĩiĩỌĩ Ciiícu ĩậO rã Iiiụĩ Kiiãũ uỌc

lập nhất định, biến đồi chậm, tách phần phụ tải ra khòi lưới điện

dòng hay nguôn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra nguồn dòng điện hay nguồn điện áp tương ứng phù hợp

ID

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

1 Nghịch lưu nguồn dòng điện: dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp cho nghịch lưu này phải là nguồn dòng đề đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ôn định dòng điện

- Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hường khi mạch hoạt động,

do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải

Trong trường hợp này này, nguồn cung cấp là nguồn dòng tức là dòng một chiều vào bộ nghịch lưu không phụ thuộc vào tồng trở tải Điều này dẫn đến dạng sóng của dòng điện các pha sau bộ nghịch lưu có dạng chữ nhật nếu bỏ qua giai đoạn chuyển mạch, điện áp ra có dạng sin nhưng mang các đỉnh nhọn ở thời điểm chuyên mạch Biên tần loại này sử dụng cuộn dây, cuộn dây ngăn các biến thiên đột ngột của dòng điện nên truyền động này rất thích hợp đối với những nơi cần tránh biến thiên đột ngột của mô- men tiên trục động cơ Hơn nữa, ở bộ nghịch lưu nguồn dòng khi ngấn mạch đầu cực động cơ không gây hư hỏng nghịch lưu vì dòng điện luôn có xu hướng giữ không đổi

Một điểm quan trọng là ở biến tần nguồn dòng ta có thể thực hiện hãm tái sinh động cơ chỉ với mạch lực đơn giản Bộ biến tần nguồn dòng làm tăng được công suất đơn

vị động cơ nên thích hợp cho truyền động có đảo chiều, công suất động cơ truyền động lớn.

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Nhược điểm của biến tần nguồn dòng là hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải Với công suất nhỏ sơ đồ này kém hiệu quả vi kích thước cồng kềnh nliưng với công suất lớn hơn 100 KW thì biến tần nguồn dòng có thể là một giải pháp thích hợp Như vậy ta címg sẽ không chọn phương án sừ dụng biến tần nguồn dòng do phụ tải động cơ thang máy có công suất thuộc loại trung bình

Đặc điểm của loại biến tần này là nguồn cấp cho BBĐ là nguồn sức điện động với nội trờ nhỏ Hiện nay với phương pháp (biến điệu độ rộng xung) áp dụng cho các bộ nghịch lưu điện áp, cho phép các dạng sóng gần sin hơn và vì vậy nâng cao được chất lượng điều chỉnh Những đặc điểm đó đưa đến khả năng ứng dụng bộ biến tần nguôn áp trong truyền động yêu cầu cao về độ chính xác điều chỉnh, chiếm ưu thế trong truyên động công suất nhỏ và truyền động nhiều động cơ hoạt động chính xác và đông bộ

Từ những phân tích cơ bản về biến tần nguồn dòng và biên tân nguôn áp ờ trên, kết hợp VỚI yêu cầu cụ thể của phụ tải trong đồ án này, em quyết định chọn biên tân nguồn áp đề điều khiển tải động cơ Sau đây sẽ đi phân tích cụ thê hơn các phương án của biến tần nguồn áp

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

3.2.1 Biến tần gián tiếp nguồn áp vói nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh

Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiêu điêu khiển được Điện áp phía một chiều có thể điều chỉnh được nhờ chinh lưu thyristo

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.2 Biên tân nguôn áp với phân 1 chiêu dùng chinh lưu thyristo

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

33

Tacó: ưd =

Sơ đồ làm việc theo chế độ nghịch

lưu ứng với hai chức năng là:

- Khi biên độ điện áp lưới ổn định tức là Ư2 = const, thay đồi góc ữ sẽ thay đồi được Ưd

(chức năng điều chỉnh công suất).

- Klii lưới điện không ồn địnli Ư2 = var, thay đồi góc (X để giữ cho ưd = const (chức

năng ồn áp một chiều).

Dòng điện trung binh qua thyristor

Hình 3.3.Đồ thị dòng điện, điện áp sau chinh lưu

Ta khảo sát bộ chỉnh lưu với chế độ làm việc nặng nề nhất của tải là tải có

L=oo Chế độ làm việc của chinh lira:

3 Vó

n

có liai chế độ làm việc: 0

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Theo dõi khoảng dẫn của các van có thể thấy được nguyên tắc tạo thành hệ thông điện áp 3 pha trên tài.

(c) 120c < 9<180c

Hình 3.4 Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van

tiếp với Z B và các trở kháng đều bằng nhau nên ta có:

Tương tự Ìihư vậy, theo hình (2.4 b), ta có:

60° < ớ < 120° (VI, Dl), (V2, D2), (V6, D6) dẫn U A =-E;u B =u c Theo hìnli (2.4 c) ta

b Dạng tín hiệu điều khiển các van và dạng dòng điện, điện áp

Từ đó ta thấy rằnơ điện áp trên các pha cũng có dạng bậc thang nhƣ biểu diễn trên hình 3.5 Trên hình 3.5 cũng biểu diễn dạng dòng tải, dòng qua các van và dòng qua các điôt Với giả thiết ọ = 7 t / 6 ta xác định thời gian dẫn cùa các van điều khiển và điot, từ đó

vẽ đồ thị i d Lira ý rằng dòng đầu vào lặp lại cứ sau mỗi 60°, trong khoảng

60° < 6 < 120° dòng qua VI chính là dòng ỉ,/, với già thiết dòng điện tải các pha thay đối

theo luật hình sin, từ đó vẽ đƣợc dạng dòng i d nhƣ trên đồ thị hình Góc lệch pha giữa điện

Chương 3 Phân ích lựa chọn phương ánbg biếntần

áp và dòng điện của sóng cơ bản trên tải bằng góc (p khi dòng qua 0 nhƣ trên hình

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

36

(3.5)

(3.8)

(3.9)

vẽ, suy ra rằng nếu (p < 60° thì dòng đầu vào không có phần âm, nghĩa là không có dòng

đi về tụ c đầu vào Vậy khi hệ số góc của tải cosợ? > cos60° = 2 ^ năng lượng phản

kháng cùa tải chi trao đôi giữa các pha với nhau mà không trao đôi VƠI nguon

Dựa vào đồ thị ta tính toán được giá trị hiệu dụng của điện áp pha trên tải như sau:

của điện áp ra u aỊ ,u b] ịil cl ta phải thay đồi tần số đóng cất của các van dẫn

Tính toán các thông số chọn van Công suất của động cơ

Giá trị hiệu dụng dòng điện pha

p 3.Ư 2 cos(p

Dòng tiêu thụ trung bình của nghịch lưu

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

(3.10)

ngvmax

L I

Dòng tiêu thụ trung binh cực đại của nghịch lưu

được điều chế gần sin hơn

+ Điều cliinh điện áp ra dễ dàng bằng cách điều chỉnli góc mở của chinh luu và băng điêu chỉnh khoảng dẫn của thyristor

+ Cỏ khả năng làm việc ở chế độ không tải

+ Do sử dụng các tụ làm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch lưu loại này có kích thước nhỏ gọn hơn nghịch lưu nguồn dòng Không có tồn hao trong cuộn kháng lọc nguôn

Nhưọ*c điểm của biến tần nguồn áp vói nguồn một chiêu đâu vào có điêu chỉnh

+ Dòng điện và điện áp vẫn chứa nhiều thành phần sóng hài tân sô cơ bàn

+ Đễ bị ngắn mạch pha nếu không khóa thyristor hợp lí (do thời gian phục hồi của thyristor)

+ Với những hệ yêu cầu cao về điều chinh tốc độ thì bộ nghịch lưu này khó đáp úng được

do khả năng chuyền mạch cùa van bán dẫn

3.2.2 Biến tần nguồn áp một chiều đầu vào không điều chỉnh

Biến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chỉnh hay còn gọi là biến tằn nguồn áp biến điệu bề rộng xung là dạng biến tằn được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay

Sơ đồ dùng chinh lưu điot đầu vào nên hệ số công suất cao Với phần nghịch lưu nếu động

cơ công suất nhỏ ta dùng MOSFET,với công suất trung bình và lớn dùng IGBT,công suất rất lớn chọn GTO (GTO được sừ dụng ở dải cống suất lớn, trên 300 kW, điện áp lưới đến

690 V, tằn số băm xung cỡ 1 kHz) Vói động cơ dùng cho thang máy yêu cầu công suất trung bỉnh lên ở đây chọn van là IGBT IGBT được sừ dung trong các biến

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

tần có công suất đến 300 KW, điện áp lưới đến 690V Công suất càng lớn thì tần số băm xung phải chọn thấp đê giảm tồn hao do quả trình đóng cắt trên van

Như sơ đồ hình vẽ 3.6 gồm cả chỉnh lưu điot và nghịch lưu IGBT có thể được chế tạo dưới dạng module với kích thước nhỏ gọn.Vì chỉnh lưu đầu vào dùng điot nên sơ đồ không

có khả năng trao đôi công suất với lưới

Trong những ứng dụng khi phía tải xoay chiều yêu cầu ứả năng lượng về nguồn, điện áp tiên tụ một chiều có thể tăng lên quá lớn Sơ đồ phải ữang bị thêm bộ phận băm xung áp phía một chiều dùng IGBT V7, xả năng lượng của tụ điện trên điện trở công suất

R br (V7 và Rbr gọi là mạch hãm - braking chooper) Trên module công suất có thể có cà IGBT V7, còn điện trờ Rbrđược tính toán tùy theo nhu cầu và lắp thêm ờ ngoài

K

Hỉnli 3.6 Sơ đô biên tân nguôn áp dùng chỉnh lưu không điêu khiên

Hình 2.7 Đồ thị dòng điện, điện áp sau chinh lưu

Chương 3 Phân tích lựa chọn

dư/dt lớn có thê gây hỏng cách điện của các động cơ Đây là điều cần lưu ý, nhất là với

những động cơ công suất iớn khi thành phần diện nở của cuộn đây rắt nhó Trong niiửng trưởng hợp cản thiết có thể phải dùng những mạch lọc LC đơn giản, kích thước nhỏ đê tạo ra điện áp hình sin tuyệt đối

Vì sử dụng cliỉnli lưu không điều khiển phía đầu vào nên hệ số công suât cùa sơ

đô cao, không phụ thuộc vào phụ tài Tuy nhiên ờ thòi điềm đóng điện ban đâu, dòng

nạp cho tụ một chiều có thể có giá trị quá lớn, làm hòng các điot đầu vào Dòng nạp

phương pháp như sau:

■BSI M T

ị

Hình 3.8 Các biện pháp hạn chế dòng nạp cho tụ một chiều lúc khởi động

(a )Dùng điện trở nối tiếp với tụ;(b) Dùng điện trở nối tiếp với mạch xoay chiều đằu vào* (c) Dùng cầu chinh lưu bán điều khiển; (d) Dùng cầu chinh lưu tiristo

Các biện pháp như trên được áp dụng cho các dải công suất từ nhỏ đến lớn theo

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

40

thứ tự từ (a) đến (d) Với công suất rất lớn việc dùng tiếp điểm công-tăc-tơ đề loại bỏ điện trờ khởi động không thề áp dụng đƣợc mà phải dùng đến mạch không tiếp điểm

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

dùng Tiristo Sau khi khởi động xong các cầu chinh lưu sẽ làm việc ờ góc điều khiển bằng 0, giống như cầu điot đề đảm bảo hệ số công suất của sơ đồ

a Biến tần nguồn áp 1 chiều đầu vào không điều chinh, nghịch lưu PWM

Phương pháp biến điệu bề rộng xung có nhiều dạng, trong đó ta xét hai dạng cơ bản sau:

+ Nghịcli lưu PWM đơn cực

+ Ngliịch lưu PWM lưỡng cực

Hai phương pháp trên có những ưu điểm và nhược điêm nhât định, đê lựu chọn được một phương pháp PWM thích hợp ta phái tiến hành phân tích ưu nhược điểm cùa từng loại

Phương pháp nghịch lưu PWM đtrn cực

Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số của điện áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao.Trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn điện áp răng cưa van được mờ để đưa điện áp

ra tải, ữong những khoảng thời gian điện áp sin chuẩn thấp hơn điện áp răng cưa van khóa lại đề điện áp ra trên tải bằng không Điện áp sẽ được tao ra riêng cho nửa chu kỳ dương và âm.

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Hình 3.10 Nguyên lí và dạng điện áp của PWM lưỡng cực Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số băng tân sô của điện áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tân sô cao Điện áp ra sẽ là +E khi sin chuẩn cao hơn xung răng cưa và là —E khi sin chuẩn thấp hơn xung răng cưa

So sánh hai phương pháp nghịch lưu

Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu PWM cơ bản về cấu trúc mạch động lực của hai phương pháp không có gì khác nhau, mà chi khác nhau vê nguyên tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn Hai phương pháp trên có chứa những ưu điểm và nhược điểm nhất định

Phương pháp PWM luông cực ưu điềm:

+ Điện áp ra có biên dộ lớn, biên độ của điện áp điều biến là Ưd, không phụ thuộc vào tải + Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ, do có phần điện áp xung âm trong thành phần điện áp Phương pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

pha nen có thể điều khiển điện áp pha về 0 mà vẫn đảm bảo điều kiện chuyền mạch của van dẫn

+ Khả năng đáp ứng cao về ồn định dòng điện cũng như tần số Do có phần điện áp âm trong điêu biên điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện tốt hơn

+ Điện áp của nguồn nuôi: Ba pha 380V/50Hz

+ Tần số điện áp ra: 20 - 200 Hz

+ Độ ồn định tần số điện áp ra: 5%

+ Điện áp ra thay đổi từ 150V đến 500V

Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu cụ thềbiến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chỉnh sử dụng phương pháp điều khiển PWM lường cực

Biến tần nguồn áp với nguồn ỉ chiều đầu vào không điều chỉnh sử dụng phưcrng pháp điều khiển PWM lưỡng cực

Đầu tiên ta làm quen với hai thông số quan ừọng trong nghiên cứu phương pháp:

Hệ số điều biến tần số

Hệ số điều biến tần số là ti số giữa tần số sóng mang và tần số sóng điều biến.

Chương 3 Phân tich lựa chọn phương án bộ biến tần

Đa số các hệ truyền động áp dụng tTong thực tế, tần số chuyển mạch được thiết kế nhò hơn 6 kHz hoặc lớn hơn 20 kHz: ở các hệ thống truyền động có tần số chuyển mạch tối ưu nằm trong giới hạn 6-20 kHz, ở dải tần số chuyền mạch 20 kHz “ hiệu suất thấp sẽ được bù lại bằng ưu thế không có nhiều” Do đó, ở các hệ thống truyền động động cơ xoay chiều tần số 50 -

60 Hz, tần số cơ bản điện áp ra nghịch lưu cần thiết đến trị số 200 Hz; hệ số điều biến tần số có thể là 9 hoặc nhỏ hơn tương ứng với tần số chuyền mạch 2 kHz Ngược lại có thề lớn hơn 100 khi tần số chuyển mạch cao hơn 20 kHz

Do đó áp dụng cho bộ nghịch lưu trong đồ án này em sẽ chọn hệ số m f = 39

Khi đó tằn số chuyền mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là: