Bài giảng mô đun biến tần

Dành cho các bạn muốn tìm hiểu học tập về biến tần. từ cấu tạo đên nguyên lý làm việc của 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. II. GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN VAN 1. Biến tần trực tiếp 2. Biến tần gián tiếp III. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN TẦN GIÁN TIẾP : A. BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG : 1. Bộ nghịch lưu dòng một pha 2. Bộ nghịch lưu dòng ba pha B. NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP 1. Bộ nghịch lưu áp cầu một pha 2. Nghịch lưu áp ba pha IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI 1. Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lưu có điều khiển hoặc bằng bộ băm xung 2. Điều chỉnh thời gian đóng ngắt của các van để thay độ rộng xung 3. Điều biến độ rộng xung (PWM):

TæNG QUAN VÒ C¸C LO¹I

BIÕN TÇN

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

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 chúngcòn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lới cấp vào bộbiến tần

I PHÂN LOạI BIếN TầN :

Bộ biến tần đợc chia làm hai nhóm:

+ Biến tần máy điện

+ Biến tần van

1 Biến tần máy điện:

Nguyên lý chung của loại biến tần này là dùng máy điện xoaychiều làm nguồn điện có tần số biến đổi

Dấu (+) ứng với trờng hợp rôto BTK quay ngợc chiều từ trờng.Lúc này fr > f1

Dấu (-) ứng với trờng hợp rôto BTK quay cùng chiều từ trờng.Lúc này fr < f1

Khi rôto đứng yên thì fr = f1

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

10

~

~ f1= constBTK

Việc sử dụng cũng nh điều khiển loại này rất phức tạp vìphải sử dụng nhiều máy điện, diện tích lắp đặt lớn, hiệu suấtlàm 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 thờng là tiristor haytransisto ) biến đổi năng lợng điện xoay chiều ở tần số nàythành năng lợng điện xoay chiều có tần số khác Biến tần van đợcchia làm 2 loại :

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

Biến tần van đợc ứng dụng rộng rãi vì có nhiều u điểm nh:kích thớc nhỏ nhẹ, không gây ồn, hệ số khuếch đại công suất lớn,hiệu suất cao

II GIớI THIệU Về BIếN TầN VAN :

1 Biến tần trực tiếp:

Thiết bị biến tần trực tiếp là loại biến tần có tần số vào f1

đ-ợc biến đổi thành tần số f2 một cách trực tiếp không phải quakhâu trung gian f2 = (0 ữ0,5)f1, thờng dùng cho truyền động cócông suất lớn, tốc độ làm việc thấp

Để đơn giản trớc hết ta phân tích sơ đồ mạch lực của biếntần một pha:

C¸c nhêm van P, N cê thÓ ®îc ®iÒu khiÓn riªng hoƯc chung.Khi ®iÒu khiÓn riªng th× kh«ng cÌn cuĩn kh¸ng c©n b»ng Khi

®iÒu khiÓn chung th× cuĩn kh¸ng c©n b»ng dïng ®Ó h¹n chÕdßng ®iÖn c©n

van N t¹o nöa chu kú

©m cña ®iÖn ¸p t¶i

®iÒu khiÓn, ngíi ta

sö dông dÍu cña

dßng ®iÖn t¶i ®Ó quyÕt ®Þnh nhêm van nµo ph¶i lµm viÖc Khimĩt nhêm van ®· ®îc chØ ®Þnh lµm viÖc th× nê lµm viÖc ị chÕ

U

I

t0 t1 t2 t3 t4

tU,I

CL

NL CL NL

Hình 3.3 Các giai đoạn làm việc cúa các nhóm van bộ biến tần trực tiếp.

S¬ ®ơ biÕn tÌn trùc tiÕp cê u ®iÓm lµ hiÖu suÍt cao kh«ng

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ biến tần trực

tiếp ba pha cho động cơ điện xoay chiều ba pha

f1 f1

phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc f1 mà nó chỉphụ thuộc mạch điều khiển.

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

nh hình sau :

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

Tùy theo tính chất của bộ chỉnh lu và dạng tín hiệu đầu ra

mà bộ biến tần độc lập lại đợc chia ra làm 2 loại :

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

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

III CáC PHƯƠNG PHáP BIếN TầN GIáN TIếP :

Bộ nghịch lu nguồn dòng thờng dùng cho các hệ thống côngsuất lớn, trong đó các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn khi tảimang tính cảm kháng thì cần các Diod tạo thành cầu ngợc đểcho dòng điện phản kháng đi qua khi dấu của dòng tải ngợc với

điện áp cuộn dây Ld có điện cảm lớn để san bằng dòng chỉnh

l-u và lọc các thành phần sóng hài bậc cao

Hoạt động sơ đồ:

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 bịchuyển mạch Vì dòng không thể thay đổi đột ngột nên dòngvẫn 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 nhng từ t2ữt3 thì

D2, D4 dẫn còn t3ữt4 thì T2, T4 mới dẫn dòng điện áp ra trên tải códạng sin chữ nhật "Sinus" nó là hàm lẻ chu kỳ

2 Bộ nghịch lu dòng ba pha:

Khối nghịch lu 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 lu dòng thờng dùng cho các

hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các vanbán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn ở đây ta dùng các

tiristor Nguồn điện một chiều Ud thông qua cuộn dây có điệncảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng Id

Trong cầu biến tần , mỗi tiristor đợc nối thêm một diode ,gọi là diode chặn Các tiristor đợc điều khiển mở theo trình tự :

C 3

C 6 -

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn dòng

3 pha

A

Hình 3.9 Sơ đồ phân phối xung cho các Thyristor

Hình 3.10 Sơ đồ dòng điện trên các pha tải

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

Các pha stator của động cơ lần lợt nhận các dòng điện “sin chữ nhật” lệch nhau góc 2 π/3 , tạo ra từ trờng quay mà tốc

độ của nó quyết định bởi nhịp điệu cấp xung điều khiển cầubiến tần Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện độngtơng ứng

tsinU2

• Hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha:

Nguồn cung cấp cho nghịch lu là nguồn dòng điện, nguồn

điện một chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải Để thựchiện đợc điều này thờng 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 cácvan từ T1 đến T6 quyết định

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

1 1

cos6

Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T1 ữT6 còn sử dụngcác diode cách ly hay diode chặn từ D1 ữ D6 nhằm để cách lygiữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơkhông đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạch cộng hởnglàm ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch

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

T sang pha R

Hình 3.11 Sơ đồ chuyển mạch từ pha R sang pha S

2π

U Cmax

π π/3

Hình 3.12 Sơ đồ điện áp và dòng điện đi qua các phần tử của mạch và các pha trong quá trình chuyển mạch

* 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 nh sau:

Khi t = t1 , cho xung điều khiển mở T3 Tiristor này mở , đặt

điện áp uBA=-U0 lên T1 để khoá T1 Dòng điện Id , từ nguồn , lậptức 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 điệncho C2 nối tiếp C3 Dòng điện hai nhánh hợp lại chảy qua D1 đểvào tải pha R rồi ra ra tải pha T qua D2 và T2 để trở về nguồn Tụ

điện C1 và C3 đợc nạp ngợc so với trớc đó Lúc này (t=t1) ,D3 vẫn

ch-a dẫn dòng Trong mạch vòng BARSB tch-a có phơng trình:

RS C

Khi t≥t2, uD3≥0, diode D3 bắt đầu dẫn dòng Dòng Is từ zero

tăng dần đến trị I còn dòng I từ trị I giảm dần xuống zero

.Khi t = t3 , kết thúc quá trình chuyển mạch Lúc này T3 và T2

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 , chiathành hai nhánh Nhánh thứ nhất IC5= IC4 =Id /3 nạp điện cho C5

và C4 Nhánh thứ hai ,IC6=2 Id /3 nạp điện cho C6 Lúc này (t=t4),

D4 vẫn cha dẫn dòng

Trong mạch vòng A’C’TRA’ ta có phơng trình :

RT C

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 chỉnhtốc độ động cơ không đồng bộ, trị cực đại của mổi tụ điệnchuyển mạch có thể đợc tính theo công thức sau:

2

202091

06660

I.

f

U , L f U

f I , , C

m n

m max

m

n m max

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

Um -biên độ cực đại của điện áp dây

B NGHịCH LƯU NGUồN áP :

Bộ biến tần nguồn áp hay là bộ nghịch l điện áp có đặt

điểm là dạng điện áp ra tải đợc định hình sẵn, còn dạng dòng

điện tải lại phụ thuộc tính chất tải Nguồn cấp điện cho bộ biếntần phải là nguồn sức điện động với nội trở nhỏ Nếu sử dụngchỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu độc lập thì cần phải mắcthêm một tụ điện C0 ở đầu vào nghịch lu để một mặt đảm bảo

điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác để trao đổi năng lợngphản kháng với điện cảm tải ( với tải R hoặc động cơ điện )

Điện áp ra của bộ nghịch lu độc lập không có dạng hình sin nhmong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật Để đánh giá sónghài của điện áp ra ngời ta thờng dùng hệ số sau:

và u việc hơn cả là dùng transisto do đó ngời ta tránh dùngtiristor Các sơ đồ nghịch lu độc lập phần lớn có dạng tơng tự

nh ở mạch chỉnh lu , thông dụng nhất là các sơ đồ cầu Vì vậydới đây chỉ xem xét sơ đồ bộ nghịch lu độc lập loại cầu dùngvan điều khiển khoa

U BE T2,T4

U t, i t

iT

t t

t

T T T T

C 0

Hình 3 13 : Sơ đồ bộ nghịch lu điện áp một pha

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 ratơng 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 đợc

điện áp và dòng điện là xoay chiều , đây chính là nguyên lýnghịch lu

Để xác định quy luật biến thiên của dòng tải ta có thể sửdụng các phơng pháp giải mạch tơng tự khi phân tích các bộ

điều chỉnh xung áp một chiều :

Với hàm ảnh Laplace tác động trong mạch là :

1

11

1)

pT N

pT t

e p

E dt e t u e p

τ

2 /

t

e

e R

E t i

với τ =L/R Biểu thức này hay đợc viết dới dạng :

a

Q e I

1

1

a I

T i

−+

a Q I

d i

πθ

θπ

π

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

3 1

1

2ln

a

Q

+

=θ

Từ đây có dòng trung bình qua van điều khiển :

d i

3 1 0

12

)(2

1

θππθ

θθπ

d i

)1(2

232

1)

(2

1

3

6 3 1

0

πθ

θπ

Các trị số tơng ứng của dòng qua diode :

1

12)

(2

1

θπ

θθ

θ

a I

d i

12

3212

a a I

=

3 0

a

a Q I

d i

πθ

θπ

Công suất hửu ích tải tiêu thụ từ nguồn :

=

=

1

12

1 33

0

a

a Q I

E I E

=

=

1

12

3 0

a

a Q I

E I U

=

1

12

1 33

a

a Q S

Trờng hợp dùng mạch chỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu

điện áp ,do tính chất chỉ cho dòng điện chạy theo chiều xác

định , để đảm bảo quá trình phóng điện về nguồn cần có một

tụ điện Co ở đầu vào bộ nghịch lu điện áp

Xuất phát từ quy định về độ ổn định điện áp nguồn và độquá 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 đợctrị số điện dung cần có :

−

∆

2 / 2

/

2 / 0

1

2ln1

1

T C

N

e e

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

ττ

Qua biểu thức Uq và Kq ta thấy biên độ các sóng hài bậc thấpkhá lớn so với sóng hài cơ bản Đối với tải là động cơ điện thì

điều này hoàn toàn không mong muốn Vì vậy ngời ta cố gắngloại trừ các sóng hài bậc thấp

Hình 3 14 : Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lu ápba pha

Nếu van có chỉ số thuộc nhóm lẻ thông hoặc Diod ngợc đikèm nó thông thì điện áp đầu ra tơng ứng của pha đó với điểmkhông là Ud/2 Ngợc lại nếu van có chỉ số chẵn thông hoặc Diod

đi kèm với nó dẫn thì 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

Hình 3 15 : Dạng điện ra trên tải sau bộ nghịch u.

Điện áp dây và điện áp pha nh sau:

Khai triển Furie điện áp dây và điện áp pha:

Tần số điện áp ra có thể đợc thay đổi bằng cách thay đổinhịp điệu đóng cắt của các van trong bộ nghịch lu

IV CáC PHƯƠNG PHáP ĐIềU CHỉNH ĐIệN áP TRÊN TảI :

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần sốthì phải thay đổi cả điện áp đặt vào động cơ Điện áp có thể

2

31 13

1

31

31

31

Z Z

Z

Z Z

Z

Z Z

Z

U U

/ U

U U

/ U

U U

/ U

Sin t

Sin t

Sin

u

u

t Sin t

Sin t Sin t

Sin u

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

+ Điều chỉnh biên độ điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lu

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 lu có điều khiển hoặc bằng bộ băm xung:

a Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lu

có điều khiển:

Để điều chỉnh đợc giá trị trung bình điện áp của bộ chỉnh

lu ta thay đổi góc mở α của các van Do đó thay đổi đợc Uf + Khi tăng α thì Ud giảm và ngợc lại

Ví dụ sơ đồ chỉnh lu có điều khiển hình cấu bằng cácThyristor đợc cho xung mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6, T1.Mỗithời 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

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh l u cầu 3 pha

có điều khiển

Sơ đồ

Vậy bằng cách biến đổi tỉ số chu kì α (T = Const) có thể

điều chỉnh đợc giá trị trung bình của điện áp ra

2 Điều chỉnh thời gian đóng ngắt của các van để thay độ rộng xung:

Để làm đợc điều này ngời ta tìm cách xây dựng trongnghịch lu những chuyển mạch phụ sao cho điện áp tải sẽ có một

đoạn bằng không

Ví dụ đối với bộ nghịch lu áp ba pha: trong một khoảng θ =

π/3 ta chia thành hai khoảng α và β Trong khoảng thì hai van ởnhóm này và một van ở nhóm kia dẫn nh bình thờng, nhng trong

T1T

T2T

T3T

T4T π

khoảng β thì cả ba van trong một nhóm cùng dẫn để điện áppha tải trong khoảng này bằng không.

3 Điều biến độ rộng xung (PWM):

Phơng pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điềuchỉnh đợc điện áp ra vừa giảm nhỏ đợc ảnh hởng của các sónghài bậc cao Để xác định khoảng phát xung chùm điều khiển cácvan, ta tạo ra một sóng dạng Sin Ur có tần số bằng tần số mongmuốn 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 manggọi 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 đợc chiathành hai loại:

- Điều biến độ rộng xung đơn cực

- Điều biến độ rộng xung lỡng 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, cótrị số 0 và ± E

b Điều biến độ rộng xung lỡng cực (hình3.20b).

Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, cótrị số ± E