[Giao trinh] Biến Tần

Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 25 Chơng 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 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 chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lới cấp vào bộ biến 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: Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 26 nguyên lý chung của loại biến tần này là dùng máy điện xoay chiều làm nguồn điện có tần số biến đổi. 2 = V f 1 = const ~ F F ~ f 1 = const K1 CKF CK U 1 BTK f 1 = Var 1 0 20 ff r = H ỗ n h 3.1. Sồ õọử nguyón lyù bọỹ bióỳn tỏửn maùy õióỷn Dấu (+) ứn g với trờn g hợ p rôto BTK q ua y n g ợc chiều từ trờn g . Lúc này f r > f 1 . Dấu (-) ứng với trờng hợp rôto BTK q ua y cùn g chiều từ trờn g . Lúc này f r < f 1 . Khi rôto đứng yên thì f r = f 1 . Nhờ thay đổi tốc độ 2 ta có thể thay đổi tần số ra. Việc sử dụng cũng nh 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 thờng là tiristor hay transisto ) biến đổi năng Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 27 lợng điện xoay chiều ở tần số này thành năng lợng điện xoay chiều có tần số khác. Biến tần van đợc chia 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 f 1 đợc biến đổi thành tần số f 2 một cách trực tiếp không phải qua khâu trung gian f 2 = (0 ữ0,5)f 1 , thờng dùng cho truyền động có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Để đơn giản trớc hết ta phân tích sơ đồ mạch lực của biến tần một pha: Maỷch van U~ U~ f 1 Hỗnh 3.2. Sồ õọử khọỳi vaỡ sồ õọử nguyón lyù ma vanỷch lổỷc bọỹ bióỳn tỏửn Z t L cb L cb N P Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 28 Các nhóm van P, N có thể đợc điều khiển riêng hoặc chung. Khi điều khiển riêng thì không cần cuộn kháng cân bằng. Khi điều khiển chung thì cuộn kháng cân bằng dùng để hạn chế dòng điện cân bằng xuất hiện do sự chênh lệch điện áp tức thời lúc đóng nhóm này mở nhóm kia mà quá trình quá độ không xảy ra tức thời. Nhóm van P tạo nửa chu kỳ dơng của điện áp tải, nhóm van N tạo nửa chu kỳ âm của điện áp tải. Trong mạch điều khiển, ngời ta sử dụng dấu của dòng điện tải để quyết định nhóm van nào phải làm việc. Khi một nhóm van đã đợc chỉ định làm việc thì nó làm việc ở chế độ chỉnh lu và chế độ nghịch lu phụ thuộc. U,I t 4 t t 3 t 2 t 1 t 0 I U Nhoùm N Nhoùm P Hỗnh 3.3. Caùc giai õoaỷn laỡm vióỷc cuùa caùc nhoùm van bọỹ bióỳn tỏửn trổỷc tióỳp. CL CL Thời điểm phát xung mở cho các Thyristor trong mỗi nhóm phải có phân bố sao cho điện áp trên tải là phần hình sin nhất và giá trị trung bình của điện áp đầu ra luôn tơng thích với giá trị tức thời của điện áp mong muốn (U=U m sin 2 t ). Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ta dùng bộ biến tần ba pha gồm ba bộ biến đổi song song ngợcSơ đồ biến tần trực tiếp có u điểm là hiệu suất cao không dùng tụ chuyển mạch. Z c Z b Z a Hỗnh 3.4. Sồ õọử nguyón lyù maỷch lổỷc bọỹ bióỳn tỏửn trổỷc tióỳp ba pha cho õọỹng cồ õióỷn xoay chióửu ba pha Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 29 Nhợc điểm của sơ đồ là gam tần số hẹp f 2 < 20Hz, phải dùng nhiều Thyristor và nhạy cảm với biến động của lới điện. 2. Biến tần gián tiếp: Sơ đồ cấu trúc của mạch: Nghởch lổu Loỹ c Chốnh lổu f1 f1 ~ ,u1 = = f2 , f2 u2 ~ Hình 3.5 : Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên đợc chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lu, qua bộ lọc rồi mới biến trở lại điện áp xoay chiều với tần số f2. Điện áp đầu ra đợc điều chỉnh nhờ sự thay đổi góc thông của các van trong nhóm chỉnh lu hoặc điều chế độ rộng xung. Việc phải biến đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f 2 không phụ thuộc f 1 mà nó chỉ phụ thuộc mạch điều khiển. Bộ biến tần gián tiếp nh đã nêu ở trên có sơ đồ chức năng nh hình sau : ~ u 1 ,f 1 Chốnh lổu F K ~ u 2 ,f 2 Điều khiển Nghởch lổu Loỹ c Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 30 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 : A. Bộ NGHịCH LƯU DòNG : 1. Bộ nghịch lu dòng một pha: Bộ nghịch lu nguồn dòng thờng 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 ngợc để cho dòng điện phản kháng đi qua khi dấu của dòng tải ngợc với điện áp cuộn dây L d có điện i d L d + - T 3 T 2 T 4 T 1 D 4 D 1 D 2 D 3 I i t H ình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lu dòng một pha và dạng dòng tải Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 31 cảm lớn để san bằng dòng chỉnh lu và lọc các thành phần sóng hài bậc cao. L d Hoạt động sơ đồ: Giả sử T 2 và T ang dẫn dòng chảy từ B sang A. 4 đ Tại t = 0 cho mở T 1 và T 3 thì T 2 và T 4 bị khóa bởi thiết bị chuyển mạch. Vì dòng không thể thay đổi đột ngột nên dòng vẫn chảy theo chiều cũ. D 1 và D 3 dẫn, T 1 và T 3 vẫn bị khóa. Từ t 1 ữt 2 thì T 1 và T 3 dẫn nếu còn xung điều khiển. Từ t 2 ữt 4 cho xung mở T 2 và T 4 , T 1 , T 3 bị khóa nhng từ t 2 ữt 3 thì D 2 , D 4 dẫn còn t 3 ữt 4 thì T 2 , T 4 mới dẫn dòng điện áp ra trên tải có dạng 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 van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn . ở đây ta dùng các tiristor . Nguồn điện một chiều U d thông qua cuộn dây có điện cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng I d . i d + E T 1 T 3 T Trong cầu biến tần , mỗi tiristor đợc nối thêm một diode , gọi là diode chặn. Các tiristor đợc điều khiển mở theo trình tự : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, T 4 T 6 T D 1 D D D 4 D 6 D R S T C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 - H ình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn dòng 3 p ha A Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 32 H×nh 3.9 S¬ ®å ph©n phèi xung cho c¸c Thyristor Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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 , trờng hợp lý tởng , bằng /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 /3 , tạo ra từ trờng 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 tơng ứng tsinU2u R = = 3 2 2 tsinUu S = 3 4 2 tsinUu T 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 thực hiện 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 các van từ T 1 đến T 6 quyết định. Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải: 3 2 ds II = Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích Fourie là: 6 1 ds II = Từ đây ta suy ra: Nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang 34 1 1 cos 63 d s U U = Khi nghịch lu 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 thờng dùng các van điều khiển không hoàn toàn vì vậy cần có các mạch khóa cỡng 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 T 1 ữT 6 còn sử dụng các diode cách ly hay diode chặn từ D 1 ữ D 6 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 hởng làm ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch . Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha này ta xét quá trình chuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R . [...]... cùng dẫn để điện áp pha tải trong khoảng này bằng không 3 Điều biến độ rộng xung (PWM): Phơng pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điều chỉnh đợc điện áp ra vừa giảm nhỏ đợc ảnh hởng 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... 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 đợc chia thành 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... này T3 và T4 dẫn dòng: UBA = U0 , UCB = 0 , UCA = 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 đợc tính theo công thức sau: I f U Cmax 0,666 0,91 m n L + 0,202 m L U m f max f n I m 2 trong đó : fn- tần số định mức; fmax -tần số cực đại ; Im- dòng điện từ hoá , [ I m = I n 1 cos 2 ] In- dòng... (stator + roto); Um -biên độ cực đại của điện áp dây B NGHịCH LƯU NGUồN áP : Trang 37 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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 biến tần phải là nguồn sức điện động với nội trở nhỏ Nếu sử dụng chỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu độc lập thì cần... dòng điện tải do tụ Co gánh chịu , ta rút ra đợc trị số điện dung cần có : E N C0 R.U C 1 e T / 2 2 1 + e T / 2 ln 1 + e T / 2 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 0 max = Ed E (1 ln 2) 0,293 d R.U C R.U C Qua biểu thức Uq và Kq ta thấy biên độ các sóng hài bậc thấp khá lớn so với sóng hài cơ bản Đối... = ud Sint + Sin 5t + Sin7t + Sin11t 5 7 11 u AB = 2 3 Trang 43 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Tần số điện áp ra có thể đợc thay đổi bằng cách thay đổi nhịp 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 số thì phải thay đổi cả điện áp đặt vào động cơ Điện áp có thể đợc điều chỉnh bằng các phơng pháp... T1 = T là thời gian đóng mạch T1 của Tp T Hỗnh 3.18 Chu kyỡ xung õióửu T2=T-T1 là thời gian hở mạch khióứn mồớ Thyristor = T1/T là tỉ số chu kì Giá trị trung bình của điện áp tải: Uf = V Vậy bằng cách biến đổi tỉ số chu kì (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... 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 lý nghịch lu Để xác định quy luật biến thiên của dòng tải ta có thể sử dụng 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 : U ( p) = E 1 e pT / 2 1 u t... 2e t / 1 1 + e T / 2 với =L/R Biểu thức này hay đợc viết dới dạng : 2e / Q it (t ) = I 0 1 1 + a3 Trang 39 Nguyenvanbientbd47@gmail.com trong đó I0 = EN R gọi là dòng cơ sở Q= với là tần số góc và L R 2 = T a = e 1 / 3Q ; Khi đã có biểu thức dòng điện tải it ta xác định các đợc tham số khác của sơ đồ Dòng điện tải cực đại đợc xác định : 1 a3 T I max = it = I 0 1+ a3 2 trị hiệu... Điện áp ra trên tải là một chuổi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và E Trang 48 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Ut U Ur 2 2 a a Hình 3.20a Dạng điện áp ra của điều chế độ rộng xungđơn cực b Điều biến độ rộng xung lỡng cực (hình3.20b) Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E Trang 49 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Ut U Ur 2 a u E+ 2 a E- Hình 3.20b Dạng điện áp ra