Thiết kế bộ biến tần truyền thông ba pha điều khiển động cơ pot

Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là c

Thiết kế bộ biến tần truyền thông ba

pha điều khiển động cơ

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái

và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì

từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng

và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn

Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và

do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường

Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều

Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no(vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn (

ω < ωo ; n < no ) Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s:

Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.

Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

o

n p(n

f

6

) s

áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2

Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A)

Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato

và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω)

Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato

và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

3U M

Trong đó:

Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2

Chương 2: Đường đặc tính cơ

Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó:

dM

0

3U M

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (

s = 1 ) và momen mở máy:

2 f

p

3 Ảnh hưởng của tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ:

Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth

Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và momen tới hạn theo tần số Mth = f(f1) là phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc

tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth rút ra:

Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mthđều tăng nhưng Mth tăng nhanh hơn

Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm Ở vùng f1 >

f1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật U / f  c ons t để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất

Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn

kết hợp với thay đổi điện áp

Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc

độ thay đổi được Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn

và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa

và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là

so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều

Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều đòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản

Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém

5 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc

độ của nó như việc điều khiển động cơ một chiều Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp)

Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giống như

máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn

và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệ truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý do chính để sử dụng rộng rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều khiển liên tục Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được

sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý thuyết điều khiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý khác chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic ) vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền động Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ truyền động xoay chiều trong một tương lai gần Triển vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của

bộ vi xử lý bán dẫn ( Semiconductor Microprocessor )

Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời Đó là lý thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC ) do giáo

sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm

Chương 4:

CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA

1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ

Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong suốt quá trình làm việc Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Hầu hết thời gian momen động

cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải

Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công

suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng 0,1 Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải

Vì vậy khi tải tăng hệ số công suất cũng lên Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng trước đây các phương pháp hãm cơ được sử dụng Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn

Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản

tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải,

có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc

độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều

này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.

Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn

vị, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto Động

cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử

lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ ba pha

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức:

1 o

có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi Từ thông này có thế là từ thông stato Φ1, từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

Chương 5: Phương pháp điều chỉnh

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:

2 1

2

0 1

' 2

'

1 2 '

3U R / s M

0 1 1 1 2

'

3U M

2 0dm 1 1dm 2d

' 2 '

m '

3U R / s M

0dm 1 1 1dm 2dm

'

3U M

Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ωo = aωodm; X1 = aX1dm;

X’2 = aX’2dm Thay các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức:

' 1dm

giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như không đổi Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị của (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 Từ đó ta có quan hệ sau:

(2-14)

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f = fdm Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo

tần số theo luật điều khiển U/f=const

Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:

- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc

độ đồng bộ đến tốc độ định mức Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặtkhông thể tăng trên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số

dẫn đến momen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.

- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian

Chương 6:

BIẾN TẦN

1 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các

bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các

bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự

ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép,

hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch

như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính

cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc

độ động cơ theo phương pháp này

Khảo sát cho thấy:

 Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment

 Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng

 Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

 Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm

và Quạt

 Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

 Giảm tiếng ồn công nghiệp

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp

Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới.

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

2 Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:

được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.

Chương 7: Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức

năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu

sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp

- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để 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 ổn định dòng điện

Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng 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

3 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình ()

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện

áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chức năng sau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính – momen tốc độ

- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu

- Kết nối với máy tính

- …

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có

nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo

vệ mạch điều khiển

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin

hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể

xử lý được Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào…

Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó

Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ