Bộ Biến tần

Các khái niệm cơ bản: Bộ Biến tần là thiết bị dùng để Biến đổi nguồn điện có tần số f1 cố định thành nguồn điện có tần số fr thay đổi được nhờ các khóa bán dẫn.

Trang 25

Chương III TổNG QUAN Về CáC LOạI

BIếN TầN

Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà có thể thay đổi được

Đối với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có thể thay đổi cả điện

áp ra khác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần

I PHÂN LOạI BIếN TầN :

Bộ biến tần được chia làm hai nhóm:

+ Biến tần máy điện

+ Biến tần van

1 Biến tần máy điện:

ω 2 = V

f1= const

~

~ f1 = const

ÂK1

U1 BTK

f1 =

Var

1 0

Khi rôto đứng yên thì fr = f1

Nhờ thay đổi tốc độ ω2 ta có thể thay đổi tần số ra

Việc sử dụng cũng như điều khiển loại này rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều máy điện, diện tích lắp đặt lớn, hiệu suất làm việc thấp, gây ồn,

nền móng phải kiên cố nên giá thành cao

2 Biến tần van:

Nguyên lý làm việc của biến tần van là dùng các tín hiệu điều khiển để

đóng mở các van ( ở đây thường là tiristor hay transisto ) biến đổi năng

Trang 27

lượng điện xoay chiều ở tần số này thành năng lượng điện xoay chiều có tần số khác Biến tần van được chia làm 2 loại :

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

Biến tần van được ứng dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm như: kích thước nhỏ nhẹ, không gây ồn, hệ số khuếch đại công suất lớn, hiệu suất cao

II GIớI THIệU Về BIếN TầN VAN :

Nhêm van P t¹o nöa

chu kú dư¬ng cña ®iÖn ¸p

t¶i, nhêm van N t¹o nöa

chu kú ©m cña ®iÖn ¸p t¶i

Trong m¹ch ®iÒu khiÓn,

ngưíi ta sö dông dÍu cña dßng ®iÖn t¶i ®Ó quyÕt ®Þnh nhêm van nµo ph¶i lµm viÖc Khi mĩt nhêm van ®· ®ưîc chØ ®Þnh lµm viÖc th× nê lµm viÖc ị chÕ ®ĩ chØnh lưu vµ chÕ ®ĩ nghÞch lưu phô thuĩc

Nhóm

NNhóm

P Hình 3.3 Các giai đoạn làm việc cúa

các nhóm van bộ biến tần trực

tiếp.

CL

CL

Thíi ®iÓm ph¸t xung mị cho c¸c Thyristor trong mìi nhêm ph¶i cê ph©n

bỉ sao cho ®iÖn ¸p trªn t¶i lµ phÌn h×nh sin nhÍt vµ gi¸ trÞ trung b×nh cña

®iÖn ¸p ®Ìu ra lu«n tư¬ng thÝch víi gi¸ trÞ tøc thíi cña ®iÖn ¸p mong muỉn (U=Umsinω2t )

§Ó ®iÒu chØnh tỉc ®ĩ ®ĩng c¬ ®iÖn xoay chiÒu ta dïng bĩ biÕn tÌn ba pha gơm ba bĩ biÕn ®ưi song song ngưîcS¬ ®ơ biÕn tÌn trùc tiÕp cê ưu ®iÓm

lµ hiÖu suÍt cao kh«ng dïng tô chuyÓn m¹ch

Z Z

Z

Trang 29

Nhược điểm của sơ đồ là gam tần số hẹp f2 < 20Hz, phải dùng nhiều

Thyristor và nhạy cảm với biến động của lưới điện

2 Biến tần gián tiếp:

Sơ đồ cấu trúc của mạch:

Nghởch lổu

Loỹ c Chốnh

lổu

f1 f1

~

Hình 3.5 : Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua bộ lọc rồi mới biến trở lại điện áp xoay chiều với tần số f2 Điện áp đầu ra được điều chỉnh nhờ sự thay đổi góc thông của các van trong nhóm chỉnh lưu hoặc điều chế độ rộng xung Việc phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần song

bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc f1 mà nó chỉ phụ thuộc mạch điều khiển

Bộ biến tần gián tiếp như đã nêu ở trên có sơ đồ chức năng như

hình sau :

~u1 ,f 1

Chốnh lổu

c

Hình 3.6 : Sơ đồ chức năng bộ biến tần gián tiếp

Tùy theo tính chất của bộ chỉnh lưu và dạng tín hiệu đầu ra mà bộ biến tần độc lập lại được chia ra làm 2 loại :

*Bộ biến tần nguồn áp (hay là bộ nghịch lưu nguồn áp)

*Bộ biến tần nguồn dòng (hay là bộ nghịch lưu nguồn dòng )

III CáC PHƯƠNG PHáP BIếN TầN GIáN TIếP :

A Bộ NGHịCH LƯU DòNG :

1 Bộ nghịch lưu dòng một pha:

Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường dùng cho các hệ thống công suất lớn, trong đó các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn khi tải mang tính cảm kháng thì cần các Diod tạo thành cầu ngược để cho dòng điện phản kháng đi qua khi dấu của dòng tải ngược với điện áp cuộn dây Ld có điện

id

Ld +

ωt

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng một

pha và dạng dòng tải

Giả sử T2 và T4 đang dẫn dòng chảy từ B sang A

Tại t = 0 cho mở T1 và T3 thì T2 và T4 bị khóa bởi thiết bị chuyển mạch Vì dòng không thể thay đổi đột ngột nên dòng vẫn chảy theo chiều cũ

D1 và D3 dẫn, T1 và T3 vẫn bị khóa

Từ t1ữt2 thì T1 và T3 dẫn nếu còn xung điều khiển

Từ t2ữt4 cho xung mở T2 và T4, T1, T3 bị khóa nhưng từ t2ữt3 thì D2, D4dẫn còn t3ữt4 thì T2, T4 mới dẫn dòng điện áp ra trên tải có dạng sin chữ

nhật "Sinus" nó là hàm lẻ chu kỳ

2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha:

Khối nghịch lưu dòng dùng để biến đổi dòng điện một chiều sau bộ

lọc thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ

ba pha Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh thì nghịch lưu dòng thường dùng cho 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 ở đây ta dùng các tiristor Nguồn điện một chiều Ud thông qua cuộn dây có điện cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng Id

i d +

E

T 1 T 3 T

Trong cầu biến tần , mỗi tiristor được nối thêm một diode , gọi là diode chặn Các tiristor được điều khiển mở theo trình tự : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,

T 4 T 6 T

D 1

D 4 D 6 D

R S T

Hình 3.9 Sơ đồ phân phối xung cho các Thyristor

Trang 33

Tại bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn , chỉ có hai tiristor dẫn dòng Dòng điện tải có dạng sóng” gần sin chữ nhật” gồm hai khối Các khối cách nhau một khoảng , trường hợp lý tưởng , bằng π /3, trong khoảng này dòng điện pha tải bằng 0

Các pha stator của động cơ lần lượt nhận các dòng điện “ sin chữ nhật” lệch nhau góc 2 π/3 , tạo ra từ trường quay mà tốc độ của nó quyết định bởi nhịp điệu cấp xung điều khiển cầu biến tần Động cơ điện sản sinh ra

ở các pha các sức điện động tương ứng

t sin U 2

u T

Nguồn cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng điện, nguồn điện một chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải Để thực hiện được điều này thường thì 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 T1 đến T6 quyết định

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ điện 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 dùng các van điều khiển không hoàn toàn vì vậy cần có các mạch khóa cưỡng bức các van đang dẫn , đảm bảo chuyển mạch giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng

Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T1 ữT6 còn sử dụng các diode cách ly hay diode chặn từ D1 ữ 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

Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lưu dòng ba pha này ta xét quá trình chuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R

iT

* Chuyển dòng điện từ pha R sang pha S:

Giả thiết T1, D1, D2 và T2 đang mở cho dòng chảy qua Dòng điện Id chảy vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra Lúc này , điện áp trên các tụ điện như sau:

uBA=-U0 lên T1 để khoá T1 Dòng điện Id , từ nguồn , lập tức chuyển qua

T3 , rồi rẽ thành hai nhánh Nhánh thứ nhất , IC1 = 2 Id / 3 , nạp điện cho

C1 ; nhánh thứ hai , IC2 = IC3 = Id /3 nạp điện cho C2 nối tiếp C3 Dòng

điện hai nhánh hợp lại chảy qua D1 để vào tải pha R rồi ra ra tải pha T qua D2 và T2 để trở về nguồn Tụ điện C1 và C3 được nạp ngược so với trước đó Lúc này (t=t1) ,D3 vẫn chưa dẫn dòng Trong mạch vòng BARSB ta có phương trình:

UBA= -U0 , UCB= U0 , UCA=0

• Chuyển dòng điện từ pha T sang pha R

Lúc này T2 và T3 đang dẫn dòng , ta có :

UA’B’=0 , UB’C’=U0 , UC’A’= -U0

Khi t=t4 , cho xung điều khiển mở T4 Tiristor này đặt điện áp - U0 lên

T2 để khoá T2 Dòng điện Id chảy qua D2 , chia thành hai nhánh Nhánh

Khi t≥t5 , uD4 ≥ 0, diode D4 bắt đầu dẫn dòng Dòng IR tăng dần đến trị Id, còn dòng IT từ trị Id giảm xuống zero Khi t = t6 , kết thúc quá trình chuyển mạch Lúc này T3 và T4 dẫn dòng:

UB’A’ = U0 , UC’B’ = 0 , UC’A’ = U0 Khi sử dụng sơ đồ biến tần dòng ba pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, trị cực đại của mổi tụ điện chuyển mạch có thể đ−ợc tính theo công thức sau:

2

202 0 91

0 666

I f

U , L f U

f I , ,

C

m n m

max m

n m max

In- dòng điện định mức của động cơ điện ;

L - điện cảm tản một pha (stator + roto);

Um -biên độ cực đại của điện áp dây

B NGHịCH LƯU NGUồN áP :

thuộc tính chất tải Nguồn cấp điện cho bộ biến tần phải là nguồn sức

điện động với nội trở nhỏ Nếu sử dụng chỉnh lưu làm nguồn cho bộ nghịch lưu độc lập thì cần phải mắc thêm một tụ điện C0 ở đầu vào nghịch lưu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác để trao đổi năng lượng phản kháng với điện cảm tải ( với tải R hoặc động cơ

điện ) Điện áp ra của bộ nghịch lưu độc lập không có dạng hình sin như mong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật Để đánh giá sóng hài của

điện áp ra người ta thường dùng hệ số sau:

i t D1

3

1 T T

Trang 39

Sơ đồ nghịch lưu điện áp một pha như hình gồm có 4 van T1,T2,T3,T4 và các diode chặn tương ứng D1,D2 ,D3,D4 Các van T1 ữ T4 được điều khiển theo cặp T1,T3 và T2, T4 lệch pha nhau một góc 1800 ở nữa chu

kỳ đầu điều khiển mở T1,T3 , điện áp nguồn sẽ đặt lên tải với cực tính như trên hình (dấu trên) Ta có :

ut = EN

Dòng điện chảy từ cực dương nguồn qua T1 - Zt - T3 về cực âm của nguồn

Đến thời điểm T/2 hoặc π ta đảo trạng thái điều khiển cho T1 T3 và T2

T4 dẫn Nhưng do tải có tính cảm nên dòng điện không đảo chiều ngay

được Năng lượng lích lũy ở điện cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ , lúc đó dòng điện buột phải thoát qua các diode D2 , D4 về nguồn theo

đường D2 , cực dương EN , qua nguồn EN xuống cực âm ( hoặc qua tụ

Co ) -D4 ( một phần dòng tải sẽ qua T2, T4 theo chiều ngược) Như vậy ,

do D2 , D4 và T2 , T4 dẫn , điện áp ra tải đảo cực tính ngay ( dấu dưới ) nên lúc này ut = - EN , song dòng điện it vẫn duy trì chiều cũ cho đến thời

điểm t2 mới đảo chiều Đến điểm 2π lại đảo trạng thái, quá trình diển ra tương tự , dòng sẽ duy trì chiều cũ một đoạn bằng t1 nhờ các van D1, D3 ,

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

Để xác định quy luật biến thiên của dòng tải ta có thể sử dụng các phương pháp giải mạch tương tự khi phân tích các bộ điều chỉnh xung áp một chiều :

Với hàm ảnh Laplace tác động trong mạch là :

1

1 1

1 )

pT N

pT t pT

e

e p

E dt e t u e p

t

e

e R

E t i

với τ =L/R Biểu thức này hay được viết dưới dạng :

a

Q e I

t

Dòng điện tải cực đại được xác định :

3 3 0 max

1

1

a I

T i

ư +

a Q I

d i

π θ

θ π

π

Thời điểm dòng tải về đến 0 tương ứng với i t( ) θ1 = 0 là :

3 1

1

2 ln

a

Q

+

= θ

Từ đây có dòng trung bình qua van điều khiển :

d i

3 1 0

1 2

) ( 2

π θ

θ θ π

d i

) 1 ( 2

2 3 2

1 ).

( 2

1

3

6 3 1

0

π θ

θ π

Các trị số tương ứng của dòng qua diode :

ư

=

3 0

1

1 2 )

( 2

π θ θ

θ

a I

d i

ư +

1 2

3 2 1 2

a a I

I hdD

Dòng điện tiêu thụ từ nguồn EN là:

3 0

a

a Q I

d i

π θ

θ π

Công suất hửu ích tải tiêu thụ từ nguồn :

( )( )⎥

=

=

1

1 2

3 0

a

a Q I

E I E

P d N d N

πCông suất biểu kiến lấy từ nguồn :

( )( )⎥

=

=

1

1 2

3 0

a

a Q I

E I U

S t t N

πSuy ra hệ số công suất :

( )( )⎥

=

1

1 2

3

a

a Q S

P

πPhân tích dạng ut thành dãy Fourier ta có trị số hiệu dụng của sóng hài bậc q là :

( )

[ q]

N q

q

E

πNh− vậy sóng hài chỉ có các bậc lẽ và có hệ số :

q U

Xuất phát từ quy định về độ ổn định điện áp nguồn và độ quá áp cho phép trên tụ ΔUc không nên quá 10 % và cho rằng toàn bộ độ dao động dòng điện tải do tụ Co gánh chịu , ta rút ra đ−ợc trị số điện dung cần có :

−

∆

2 / 2

/

2 / 0

1

2 ln 1

e U

R

E C

Biểu thức trên cho thấy với tần số làm việc càng thấp cần có Co lớn hơn giá trị giá trị Co lớn nhất khi tần sồ f → 0 và bằng :

C d

C

d

U R

E U

R

E C

max 0

τ τ

Qua biểu thức Uq và Kq ta thấy biên độ các sóng hài bậc thấp khá lớn

so với sóng hài cơ bản Đối với tải là động cơ điện thì điều này hoàn toàn

S4, S6 nằm ở phía dưới, hai van trong cùng một pha thì không đồng thời dẫn nghĩa là van này dẫn thì van kia sẽ khóa và ngược lại Để có dòng chạy qua tải thì nếu có một nhóm van có chỉ số lẻ bắt buột phải có ít nhất một van thuộc nhóm chẵn dẫn

điện áp đầu ra của pha đó đối với điểm không là -Ud/2

Ta có:

U10 - U30 UZ31

U30 - U20 UZ23

=

=

U20 - U10 UZ12 =

2 1

31 13

1

3 1

3 1

3 1

Z Z

Z

Z Z

Z

Z Z

Z

U U

/ U

U U

/ U

U U

/ U

U d /3 T/

H×nh 3 15 : D¹ng ®iÖn ra trªn t¶i sau bé nghÞch lưu

§iÖn ¸p d©y vµ ®iÖn ¸p pha như sau:

Khai triÓn Furie ®iÖn ¸p d©y vµ ®iÖn ¸p pha:

Sin t Sin t Sin u u

t Sin t

Sin t Sin t Sin u u

d A

d AB

ω ω

ω ω

π

ω ω

ω ω

π

11 11

1 7 7

1 5 5

1 2

11 11

1 7 7

1 5 5

1 3

2

IV CáC PHƯƠNG PHáP ĐIềU CHỉNH ĐIệN áP TRÊN

TảI :

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số thì phải thay

đổi cả điện áp đặt vào động cơ Điện áp có thể được điều chỉnh bằng các phương pháp sau:

+ Điều chỉnh biên độ điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bằng bộ băm xung

+ Điều chỉnh thời gian đóng, mở của các van

1 Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lưu có điều khiển hoặc bằng bộ băm xung:

a Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lưu có điều khiển:

Để điều chỉnh được giá trị trung bình điện áp của bộ chỉnh lưu ta thay

đổi góc mở α của các van Do đó thay đổi được Uf

+ Khi tăng α thì Ud giảm và ngược lại

Ví dụ sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hình cấu bằng các Thyristor được cho xung mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6, T1.Mỗi thời điểm có 2 Thyristor mở các xung điều khiển lệch nhau π/3 Khoảng dẫn của các van là 2π/3 Trong mỗi nhóm (T1,T3, T5 và T2, T4, T6) khi một Thyristor

mở nó sẽ khóa ngay Thyristor dẫn dòng trước đó

Trang 45

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển a) Sơ đồ

b) Dạng sóng khi góc mở nhỏ c) Dạng sóng khi góc mở lớn

®iÖn vµ ®ưîc n¹p theo chiÒu ngưîc víi cùc tÝnh như h×nh vÏ

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý

mạch băm điện áp

Hình 3.18 Chu kỳ xung điều

2 §iÒu chØnh thíi gian ®êng ng¾t cña c¸c van ®Ó thay ®ĩ rĩng xung:

§Ó lµm ®ưîc ®iÒu nµy ngưíi ta t×m c¸ch x©y dùng trong nghÞch lưu nh÷ng chuyÓn m¹ch phô sao cho ®iÖn ¸p t¶i sÏ cê mĩt ®o¹n b»ng kh«ng

VÝ dô ®ỉi víi bĩ nghÞch lưu ¸p ba pha: trong mĩt kho¶ng θ = π/3 ta chia thµnh hai kho¶ng α vµ β Trong kho¶ng th× hai van ị nhêm nµy vµ mĩt van ị nhêm kia dĨn như b×nh thưíng, nhưng trong kho¶ng β th× c¶ ba

Trang 47 Hình 3.19 Giản đồ

3 Điều biến độ rộng xung (PWM):

Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điều chỉnh được điện

áp ra vừa giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao Để xác

định khoảng phát xung chùm điều khiển các van, ta tạo ra một sóng dạng Sin Ur có tần số bằng tần số mong muốn gọi là sóng điều biến Dùng một khâu so sánh Ur và Up , các giao điểm của hai sóng này xác định khoảng phát xung

Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang gọi là tỉ số điều biên

M = Ar/Ap

Để điều chỉnh độ rộng xung tức là ta điều chỉnh điện áp ra trên tải ta điều chỉnh Ar Điều biến độ rộng xung được chia thành hai loại:

- Điều biến độ rộng xung đơn cực

- Điều biến độ rộng xung lưỡng cực

a Điều biến độ rộng xung đơn cực (hình 3.20a)

Điện áp ra trên tải là một chuổi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ±

E