các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn chẳng hạn trường hợp thiết bị điện một chiều có vành góp, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các dạng phụ tải khác c

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Chương 1

Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

1.1 Nguyên tắc chung của các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất Phân loại các bộ biến đổi và các tính chất cơ bản của chúng

Bộ biến tần công suất có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới (1 hay 3 pha) với tần số công nghiệp (ở một số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điện áp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha (thường

là 3 pha và chỉ trong những trường hợp đặc biệt là một, hai hay nhiều pha)

có biên độ, tần số và số pha có thể thay đổi được trong phạm vi cho phép Tần số là thông số thời gian của điện áp xoay chiều, được xác định theo bản chất của khoảng thời gian mà qua đó biến đổi được tín hiệu điện

áp này Chính nhờ sự biểu hiện này của tần số mà những nguyên tắc chung

và cơ bản nhất của các bộ biến đổi tần số là dùng van bán dẫn công suất

điều khiển hoàn toàn hay không hoàn toàn đó là tranzito hay tiristo (gọi là các van bán dẫn) Thực chất của những nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủ yếu cuả bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nào đó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổi (tới phụ tải) với tần số mong muốn, biến đổi trị số trung bình của điện áp (dòng điện) ở đầu ra của bộ biến đổi

ở đây, trị số trung bình được giữ theo nửa chu kỳ điện áp (dòng điện) của

đầu ra hoặc trong khoảng thời gian nhỏ hơn [20]

Các quá trình đóng và mở của các van bán dẫn công suất cùng xảy ra với sự thông dòng từ một nhánh van cung cấp tới một nhánh khác hay tới các van khác được gọi là sự chuyển mạch dòng điện Thuật ngữ "chuyển mạch" được dùng để chỉ quá trình nói trên trong các thiết bị biến đổi nối kết

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

với mạng điện xoay chiều (trong các bộ chỉnh lưu, các bộ nghịch lưu phụ thuộc v.v) Khái niệm chuyển mạch ở các thiết bị nghịch lưu độc lập đồng nhất với khái niệm khoá các van bán dẫn [1]

Các bộ biến đổi tần số dùng tiristo có thể chia thành 3 loại theo phương pháp chuyển mạch dòng điện giữa các tiristo:

1- Bộ biến tần dùng tiristo với chuyển mạch tự nhiên

2- Bộ biến tần dùng tiristo với chuyển mạch ngoài (chuyển mạch nhân tạo và chuyển mạch cưỡng bức)

3- Bộ biến tần dùng tiristo với chuyển mạch hỗn hợp

Mặt khác, tuỳ theo cách liên hệ của phụ tải với năng lượng nguồn, chính xác hơn là theo kiểu biến đổi trung gian của điện áp sơ cấp (điện áp lưới), người ta chia ra 3 loại bộ biến đổi tần số dùng tiristo

1- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều (Các bộ biến đổi tần số kiểu nghịch lưu)

2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện một chiều và các mạch vòng khác)

3- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao

Bộ biến đổi tần số dùng tiristo có khâu trung gian dòng điện một chiều (hình 1 - PL1) việc biến đổi điện áp (năng lượng) lưới cung cấp được thực hiện hai lần Đầu tiên, điện áp xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu

CL thành điện áp một chiều, sau đó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu

NL được biến đổi thành điện áp xoay chiều

Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tuỳ theo phụ tải ở mạng tiêu thụ với tần số ấn định Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ lọc L để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độc lập với nhau và có thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo Tuỳ theo kiểu chuyển

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

mạch có thể quan niệm những bộ biến đổi tần số dùng tiristo gồm các nhóm:

1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp (chẳng hạn bộ biến đổi đảo chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo)

2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn (chẳng hạn trường hợp thiết bị điện một chiều có vành góp, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các dạng phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối tầng van không đồng bộ, ở đó bộ biến đổi tần số quay dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển hay không có điều khiển và bộ nghịch lưu phụ thuộc v.v )

3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn Khi đó cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo [20]

Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng tiristo có khâu trung gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu

độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần

số nguồn cung cấp

Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là việc biến đổi năng lượng hai lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước, khối lượng của nó

Các bộ biến đổi tần số trực tiếp được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu), (hình 2a - PL1)

ở các bộ biến tần dùng tiristo loại này việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều của nguồn năng lượng và việc biến đổi điện áp chỉnh lưu đó thành

điện áp xoay chiều có tần số yêu cầu được kết hợp trong một thiết bị mà ở

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

đó xảy ra quá trình biến đổi năng lượng một lần nên hiệu suất của bộ biến

đổi tần số loại này cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ

Trên hình 2a - PL1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý mạch lực của bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo 3 pha - 1 pha trên cơ sở sơ đồ bộ chỉnh lưu đảo chiều ba pha có điểm trung tính Dạng điện áp ở cửa ra của bộ biến tần trực tiếp (hình 2b - PL1) phụ thuộc vào số pha và độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu, số pha của lưới, tần số điện áp ra, quy luật điều khiển góc mở tiristo và hàng loạt các hệ số khác Khi thuật toán điều khiển tiristo đã xác định có thể tạo ra khả năng trao đổi năng lượng linh hoạt giữa phụ tải với nguồn và khả năng chuyển giao năng lượng từ phụ tải về lưới Đây là một ưu điểm rất quan trọng của bộ biến tần trực tiếp, đặc biệt là trong trường hợp cung cấp cho động cơ điện xoay chiều

Nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo là: hệ số công suất phía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện

áp ra, hệ thống điều khiển phức tạp và bị giới hạn bởi giá trị lớn nhất của tần số ở đầu ra

Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thường thấp hơn tần số lưới, số pha m1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần số ra càng thấp bấy nhiêu Để có tần số ra f2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao tần số nguồn cung cấp lên 150 ữ 200 Hz hoặc là tăng số pha m1 lên đến 24 pha Điều này không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số nguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm

đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, làm giảm tính ưu việt của bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo [1]

Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo được xây dựng trên cơ sở các

bộ chỉnh lưu có điều khiển Sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho các bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến tần

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các

bộ biến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số

đầu ra và mở rộng khả năng sử dụng của chúng

Bộ biến tần dùng tiristo có khâu trung gian dòng điện xoay chiều một pha tần số cao (hình 3 - PL1)

Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần tiristo này thì tần

số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ hơn

450 Hz Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển mạch hỗn hợp: khâu trung gian dòng điện một pha làm việc tương tự như một bộ nghịch lưu song song dùng chuyển mạch ngoài, còn ở khâu biến đổi dòng điện một pha thành ba pha với tần số điều chỉnh được, dùng chuyển mạch tự nhiên nhờ điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải, đồng thời khi làm việc ở chế độ máy phát của động cơ điện, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp Giá trị cực đại của tần số ra của bộ biến tần tiristo này được giới hạn bởi giá trị tần số điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 ữ 60 Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn [20]

Bộ biến tần tiristo có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao

sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha ở đây việc biến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được, thường được thực hiện nhờ bộ biến tần trực tiếp 1 pha - 3 pha dùng chuyển mạch tự nhiên Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá phức tạp [18]

Sự phân loại các bộ biến tần tiristo được chỉ ra như trên hình 4 -PL1

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

1.2 Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong các bộ biến đổi dùng van bán dẫn Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng

Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần tiristo có khâu trung gian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu

Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều Đó là quá trình truyền năng lượng điện từ mạch một chiều sang mạch xoay chiều nhờ các khoá điều khiển (tiristo hay tranzito)

Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu Các bộ nghịch lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc

Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó không

chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra nghịch lưu Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc của nghịch lưu hoặc là tuỳ thuộc mức độ ảnh hưởng của chế độ làm việc đó

đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu

Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện

xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể

so với công suất mà nghịch lưu trả lại Khi này những thông số về điện áp, tần số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nó; những thông số này hoàn toàn được xác định bởi lưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại [20]

Tất cả các bộ nghịch lưu (độc lập và phụ thuộc) tuỳ theo kiểu chuyển mạch được chia ra thành hai nhóm:

- Các bộ nghịch lưu với chuyển mạch tự nhiên

- Các bộ nghịch lưu với chuyển mạch cưỡng bức

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của các tiristo (điều này không ngoại trừ áp dụng chuyển mạch cưỡng bức); hệ thống điều khiển các tiristo của bộ nghịch lưu này thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu

Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và việc điều khiển các tiristo hay tranzito đều từ bên ngoài (không phụ thuộc cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ) Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế

độ làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các tiristo (khi làm việc với động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v ) Chẳng hạn, ở máy điện một chiều có vành góp, việc chuyển mạch của các tiristo trong nghịch lưu phụ thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của rô to động cơ, nghĩa là hệ thống điều khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí rô

to Tuy nhiên, điều nằy không có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thành nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn cung cấp hay không [1]

Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà dạng điện áp ở

đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các tiristo (hay tranzito) trong nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải Khi nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm bảo khả năng trao đổi năng lượng phản kháng giữa tải

và nguồn điện áp một chiều Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở

đầu vào nghịch lưu độc lập nguồn điện áp, còn sơ đồ van đấu song song

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

ngược với nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược

Điều này cho phép dòng điện chảy trong mạch tải lệch pha so với điện áp tải

Trên hình 5.a,b - PL1 trình bày sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn điện

áp một pha dùng tiristo điều khiển hoàn toàn và dạng điện áp trên tải điện cảm tác dụng cũng như dòng điện qua tải

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng

điện ở đầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các tiristo hay tranzito của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều chỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực hiện bằng cách đấu thêm cuộn kháng san bằng

có điện cảm rất lớn ở đầu vào hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ

để san bằng sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu

Trên hình 5c,d - PL1 trình bày sơ đồ bộ nghịch lưu độc lập một pha nguồn dòng điện dùng tiristo điều khiển hoàn toàn và dạng của dòng điện trên tải có tính chất dung kháng cùng với điện áp đầu ra của nó

Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện

áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô cùng) Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng tiristo có khả năng làm việc với phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở

động cơ điện một chiều không có vành góp Trong trường hợp này, khi có

sự tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

hạn bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng

điện trong tiristo Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn

điện áp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện

áp trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn giới hạn cho phép Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch lưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng hay với tải có hệ số công suất góc vượt trước Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điện khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng lượng phản kháng đã tích luỹ trên tải cho nguồn cung cấp Khả năng làm việc với tải có hệ số công suất góc vượt trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên [1]

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó Đó là ưu điểm nổi bật của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và làm cho việc sử dụng bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp tốt hơn trong các hệ thống hở điều khiển tốc độ động cơ

điện xoay chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ

Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu

độc lập nguồn điện áp, sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều Tuy nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều Do vậy không thể thực hiện việc truyền năng lượng đã có vào mạng, và năng lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng

điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện [19]

Nhược điểm của bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu độc lập nguồn

điện áp là:

- Công suất lắp đặt lớn và tương ứng là khối lượng và kích thước của tụ

điện lọc ở đầu vào của nghịch lưu điện áp độc lập tương ứng cũng lớn

- Cần phải áp dụng sơ đồ biến tần tiristo có bộ nghịch lưu phụ thuộc

bổ xung đấu song song ngược với bộ chỉnh lưu trong trường hợp cần thu hồi năng lượng tác dụng về lưới

- Số lượng các đi ốt và tiristo ở mạch lực lớn, nhất là khi có mặt nghịch lưu phụ thuộc

- Trong trường hợp lắp đặt mạch lực bộ lọc dòng điện một chiều sẽ có quán tính điều chỉnh điện áp (sức ỳ) khi phương pháp điều chỉnh biên độ của nó và có khả năng phát sinh tự dao động trong hệ thống hở bộ biến đổi

- động cơ

Sự phụ thuộc đơn trị của dòng điện đầu ra vào dòng điện đầu vào và sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tổng trở và hệ số công suất của tải là nhược điểm chính của nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện Hạn chế đó tồn tại cả trong điều chỉnh truyền động điện hệ thống hở sử dụng phương pháp

điều chỉnh tần số [5]

Để điều chỉnh truyền động điện người ta sử dụng nhiều loại nghịch lưu

độc lập nguồn dòng điện có tụ điện chuyển mạch cách ly với phụ tải Điện dung của các tụ điện này khá bé và không cần phải thay đổi nó khi điều chỉnh tần số ra của nghịch lưu trong phạm vi rộng

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Sự phụ thuộc điện áp đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện vào tổng trở và hệ số công suất của phụ tải không gây trở ngại cho việc sử dụng nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện trong truyền động điện, cụ thể trong các hệ thống điều khiển tần số truyền động điện hiện đại, dòng điện ở

đầu vào nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện (tức là dòng điện stato động cơ) được điều chỉnh tự động theo hàm của độ trượt tuyệt đối, nghĩa là điều chỉnh theo hàm thay đổi tổng trở mạch tải và hệ số công suất của phụ tải

Điều này cho phép có thể tối ưu hoá chế độ làm việc của động cơ Việc điều chỉnh dòng điện ở đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được

đảm bảo nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển với khâu phản hồi âm dòng điện Nhược điểm của nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có liên quan đến quá điện áp ở đầu ra khi thay đổi cực tính của nó Sự cần thiết phải hạn chế quá điện áp, bắt buộc phải tăng thời gian chuyển mạch của tiristo, điều này trong những trường hợp nhất định sẽ hạn chế tần số cực đại ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện (50 ữ 100 Hz) và được giải quyết bằng các sơ đồ đặc biệt để tiêu tán hay trả lại lưới cung cấp năng lượng phản kháng đã tích luỹ ở tải Điều này làm phức tạp mạch lực và mạch điều khiển

bộ biến tần tiristo Ngoài ra, những tổn thất trong động cơ do các sóng hài bậc cao khi cấp từ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là lớn đáng kể (gấp khoảng hai lần, khi mô men là định mức trên trục động cơ), so với trường hợp động cơ được cấp từ nghịch lưu độc lập nguồn điện áp ở cùng một chế

độ định mức [6]

Ưu điểm của bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng

điện (với chuyển mạch tụ điện ngăn cách với phụ tải) là:

- Không cần có bộ lọc bằng tụ điện ở đầu vào nghịch lưu, do đó giảm

được kích thước và khối lượng của bộ biến đổi

- Có khả năng thu hồi năng lượng tác dụng về lưới mà không cần dùng thêm sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc bổ xung

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

- Số lượng các đi ốt và tiristo ở mạch lực ít

- Cải thiện chất lượng động cho hệ thống

Do chất lượng khả quan này của bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu

độc lập nguồn dòng điện định ra việc sử dụng tốt nhất cho bộ biến tần tiristo loại này trong truyền động đảo chiều đơn, làm việc trong chế độ điện

áp ngắn hạn lặp lại [20]

Nghịch lưu độc lập dùng chuyển mạch cưỡng bức, theo phương pháp chuyển mạch có thể chia thành 3 nhóm (hình 6 - PL1)

1) Nghịch lưu dùng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn (nghịch lưu

độc lập dùng tranzito và nghịch lưu độc lập dùng tiristo điều khiển hai chiều)

2) Nghịch lưu với chuyển mạch bằng tụ điện (điện dung) ở loại này phần tử cơ bản, mấu chốt của chuyển mạch cưỡng bức là tụ điện, năng lượng dự trữ ban đầu của nó dùng để khoá các tiristo

3) Nghịch lưu với chuyển mạch các tiristo nhờ năng lượng của nguồn xung phụ hoặc nguồn tần số cao

Nhóm sau cùng này không được sử dụng ở bộ biến tần tiristo do sự phức tạp của sơ đồ Các nghịch lưu thuộc nhóm thứ hai nổi bật lên với sơ đồ mạch lực đơn giản và có các chỉ tiêu tốt nên được sử dụng nhiều ở các bộ biến tần công suất nhỏ

Phổ biến hơn cả là nghịch lưu độc lập dùng tiristo với chuyển mạch tụ

điện Chúng được chia thành hai nhóm dựa vào tính chất và giới hạn của quá trình chuyển mạch

1) Nghịch lưu chuyển mạch một cấp

2) Nghịch lưu chuyển mạch hai cấp

Chuyển mạch một cấp được hiểu là khi dòng điện chảy qua tiristo trước thời điểm khoá nó được chuyển thành việc mở các tiristo của pha

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

khác hoặc của chính pha đó Quá trình khoá một tiristo đang làm việc và

mở một tiristo được xảy ra đồng thời

Chuyển mạch hai cấp là việc chuyển mạch được thực hiện nhờ tiristo chuyển mạch phụ Tiristo đang làm việc sẽ được khoá khi tiristo chuyển mạch mở Khi đó một mạch vòng được tạo thành làm thay đổi cực tính điện

áp trên tiristo được khoá Việc mở tiristo làm việc tiếp sau đó được thực hiện và xảy ra độc lập với quá trình chuyển mạch ở tiristo đang khoá, nhưng thông thường là bằng việc kết thúc quá trình này [20]

Đặc tính của nghịch lưu độc lập do thuật toán đóng mở các tiristo của

nó hoặc các phương pháp điều khiển nghịch lưu xác định Các thuật toán và các phương pháp điều chỉnh này xác định khoảng thời gian dẫn của các tiristo Người ta ứng dụng các thuật toán đóng mở các tiristo như sau:

1) Duy trì thời gian dẫn bằng 2/3 của nửa chu kỳ tần số đầu ra (điều khiển 1200)

2) Duy trì thời gian dẫn bằng nửa chu kỳ tần số đầu ra (điều khiển

1800)

3) Duy trì thời gian dẫn tuỳ ý (trong phạm vi nửa chu kỳ tần số đầu ra) Như vậy điều này không áp đặt thực hiện cho mọi nghịch lưu từ những thuật toán đóng mở có sẵn nào đó

Nhược điểm của các bộ nghịch lưu với chuyển mạch chung và chuyển mạch theo nhóm là bị hạn chế chế độ điều khiển, trạng thái điện áp đầu ra (khi chuyển mạch tiristo) và tần số chuyển mạch cao của nút chuyển mạch chung (gấp sáu lần so với tần số ra trong trường hợp chuyển mạch chung và gấp ba lần trong trường hợp chuyển mạch nhóm)

ở các bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện với chuyển mạch chung thường áp dụng việc điều khiển 1200

Ưu điểm của tất cả các bộ nghịch lưu với chuyển mạch chung là giảm

được số lượng các phần tử chuyển mạch là các tụ điện, điện kháng và các

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

tiristo chuyển mạch phụ Lĩnh vực áp dụng chủ yếu của các bộ nghịch lưu

độc lập nguồn điện áp với chuyển mạch chung là các bộ biến đổi tần số thấp, công suất trung bình và nhỏ, còn đối với các bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là các bộ biến đổi công suất điều khiển tần số thấp (50 ữ

60 Hz)

Toàn diện hơn cả, căn cứ vào việc sử dụng, đặc tính điều chỉnh và chế

độ điều khiển là các bộ nghịch lưu với chuyển mạch theo từng pha (thường

là các bộ nghịch lưu điện áp) Chúng có thể làm việc với bất kỳ thuật toán nào để đóng mở các van Điều này tạo nên ưu thế trong việc sử dụng chúng

ở bộ biến tần tiristo điều chế độ rộng xung một cực và hai cực của điện áp

đầu ra Nhược điểm của nghịch lưu độc lập với chuyển mạch theo từng pha

là sự phức tạp của sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của một bộ nghịch lưu bất

kỳ là tổn thất chuyển mạch Tổn thất này phụ thuộc vào vào sơ đồ mạch lực của nghịch lưu, cơ chế chuyển mạch, loại chuyển mạch và các nút chuyển mạch được sử dụng Tổn thất chuyển mạch là một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất để lựa chọn sơ đồ nghịch lưu cho một bộ biến tần tiristo cụ thể bởi vì tổn thất chuyển mạch không những phụ thuộc vào hiệu suất của

bộ biến tần tiristo mà còn phụ thuộc hàng loạt các trường hợp và cách thức làm việc của nó cũng như đặc tính cơ bản của quá trình chuyển mạch là thời gian, tính ổn định trong suất dải thay đổi của tần số, phụ tải và điện áp ở

đầu ra của bộ biến tần tiristo [19]

1.3 Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian dòng điện một chiều được thiết kế trên cơ sở các bộ chỉnh lưu điều khiển có đảo chiều nên phương pháp điều chỉnh biên độ điện áp đầu ra của các bộ biến đổi này cũng giống như các bộ chỉnh lưu dùng tiristo, tức là điều chỉnh pha điện áp

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Phương pháp kinh điển để điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều hoặc là điều chỉnh điện áp đầu vào bộ nghịch lưu thông qua bộ chỉnh lưu có điều khiển theo phương pháp điều chỉnh pha điện áp, hoặc là thông qua bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ biến đổi xung điện áp, được gọi là "điều chỉnh biên độ điện áp", tuỳ theo mức độ có thể có thể dùng cho cả nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện và nghịch lưu độc lập nguồn điện áp

Ưu điểm của phương pháp này là:

- Có khả năng sử dụng cho bất kỳ loại nghịch lưu nào với mọi loại chuyển mạch và thuật toán điều khiển đóng mở các van, đặc biệt là với các sơ đồ nghịch lưu đơn giản

- Tính độc lập của dạng điện áp đầu ra đối với điện áp đầu vào của nghịch lưu

- Dải điều chỉnh rộng

Bộ biến đổi xung điện áp không thể dùng để điều chỉnh biên độ điện

áp bởi vì việc sử dụng bộ biến đổi này trong mạch một chiều dẫn đến quá trình biến đổi năng lượng một lần nữa, làm giảm hiệu suất và làm phức tạp

bộ biến đổi Ngoài ra bộ biến đổi xung điện áp dùng tiristo thường chỉ có một hướng truyền năng lượng, như vậy hạn chế ứng dụng nó trong truyền

động điện khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát Vì vậy để điều chỉnh biên độ điện áp, chủ yếu dùng các bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng

Nhược điểm của phương pháp này là hệ số công suất thấp, đối với nguồn cung cấp cần phải có bộ lọc điện áp chỉnh lưu và như vậy sẽ làm tăng kích thước, khối lượng của bộ biến đổi, làm xấu các chỉ tiêu động học của

hệ thống Ngoài ra khi giảm giá trị điện áp ban đầu trên các tụ chuyển mạch của nghịch lưu, như vậy làm giảm sự chuyển mạch chắc chắn và đòi hỏi hoặc là tăng dung lượng của tụ điện hoặc là giảm dòng điện tải, nghĩa là

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

phải dùng các thiết bị chuyên dùng cho quá trình phóng, nạp của tụ điện và

do đó làm phức tạp mạch công suất

Như vậy dùng chỉnh lưu điều khiển đối xứng để điều chỉnh điện áp đầu vào là phương pháp điều chỉnh cơ bản cho cả nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện cũng như nghịch lưu độc lập nguồn điện áp Để nâng cao độ tác

động nhanh và nâng cao hệ số công suất đối với nguồn cung cấp có thể sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng chuyển mạch nhân tạo

Phương pháp khác được sử dụng để điều chỉnh biên độ điện áp đầu ra liên quan đến chức năng cùng đồng thời điều chỉnh điện áp và tần số ở chính bản thân bộ nghịch lưu Bởi vì sự phối hợp đồng thời như vậy muốn

đạt được cần có thuật toán điều khiển khá phức tạp để đóng mở các tiristo của nghịch lưu, nên phương pháp này chỉ có thể thực hiện được ở các nghịch lưu dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn hoặc nghịch lưu có chuyển mạch hai tầng Các phương pháp này chỉ thực hiện được ở nghịch lưu độc lập nguồn điện áp [2]

Có ba phương pháp điều chỉnh như vậy:

- Điều chỉnh độ rộng điện áp

- Điều chỉnh độ rộng xung điện áp

- Điều chế độ rộng xung điện áp một cực và hai cực

Phương pháp đầu tiên đơn giản nhất, được thực hiện bằng cách thay

đổi thời gian dẫn của các van khi cố định thời gian mở của tất cả các van Thay đổi thời gian dẫn của van từ π ữ 0, biên độ của sóng bậc nhất (sóng cơ bản) của điện áp đầu ra thay đổi từ giá trị cực đại về đến 0 Đồng thời với phương pháp này làm tăng rất nhanh biên độ các thành phần sóng điều hoà bậc cao cuả điện áp đầu ra, như vậy sẽ dẫn đến tăng rất nhanh tổn hao trong

động cơ (tải) Vì vậy giá trị thực tế của phương pháp này đối với các động cơ (tải) Vì vậy giá trị thực tế của phương pháp này đối với các bộ biến tần tiristo cho truyền động điện không cao Phương pháp này chỉ có thể được

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

sử dụng trong các truyền động với dải điều chỉnh không lớn hơn 2:1 hoặc là dùng cho các hệ với tần số cố định dùng để ổn định điện áp đầu ra

Chỉ tiêu thực sự có ý nghĩa (xét về thành phần và biên độ các sóng

điều hoà bậc cao của điện áp) được đặc trưng bởi các phương pháp điều chỉnh độ rộng xung điện áp và điều chế độ rộng xung điện áp một và hai cực Thực chất của phương pháp này là trong quá trình hình thành một nửa sóng điện áp đầu ra theo xung một hoặc hai cực của điện áp có sự thay đổi

về độ rộng xung hoặc khoảng nghỉ giữa hai xung Như vậy biên độ của thành phần sóng bậc nhất của điện áp đầu ra cũng thay đổi Trong trường hợp này, các thành phần điều hoà có số thứ tự cao và do tính chất lọc của

động cơ điện nên các thành phần này được lọc tốt [20]

Sự khác nhau giữa hai phương pháp này là ở chỗ đối với phương pháp

điều chỉnh độ rộng xung, khoảng thời gian nghỉ giữa hai xung điện áp cho trước và luôn giữ không đổi (trừ quá trình quá độ) trong suốt một nửa chu

kỳ (và do đó là cả chu kỳ) của điện áp đầu ra; còn đối với phương pháp điều chế xung điện áp một và hai cực thì khoảng thời gian nghỉ giữa hai xung một cực hoặc độ rộng của các xung hai cực không ngừng thay đổi theo một quy luật nào đó

Ưu thế của các phương pháp này là hoàn toàn loại trừ hạn chế của phương pháp điều chỉnh biên độ điện áp, độ tác động nhanh cao, dạng sóng

điện áp và dòng điện đầu ra tốt (gần sin nhất là với phương pháp điều chế

độ rộng xung một và hai cực), đơn giản đi rất nhiều bộ chỉnh lưu - có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển Với phương pháp điều chế độ rộng xung một và hai cực, hệ số công suất của bộ biến đổi có thể tiến dần tới 1 (cosϕ ≈ 1) trong suốt dải điều chỉnh

Hạn chế của phương pháp này là: sơ đồ mạch nghịch lưu và do đó cả

hệ điều khiển nghịch lưu phức tạp; tổn thất cao trong các bộ nghịch lưu do tần số chuyển mạch của các van bán dẫn cao, vì vậy làm hạn chế giá trị cực

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

đại của tần số điện áp đầu ra đến 50 ữ 100 Hz Do các hạn chế như vậy, các phương pháp điều chỉnh điện áp này chỉ được ứng dụng trong các trường hợp có yêu cầu cao về độ tác động nhanh, độ chính xác và trong các hệ truyền động với độ điều chỉnh tốc độ rất sâu ứng dụng các phương pháp này trong hệ truyền động tần số cao thực tế không dùng

Phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều dùng nghịch lưu (nguồn áp hoặc nguồn dòng

điện) thực tế được xác định bởi các tính chất chung như về thiết lập (dải

điều chỉnh, độ tác động nhanh, chỉ tiêu năng lượng), cấu trúc phần mạch lực, mạch điều khiển cũng như việc lựa chọn phương pháp chuyển mạch và sơ đồ nghịch lưu Vì vậy, để thuận tiện, các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều dùng nghịch lưu độc lập phân theo phương pháp điều chỉnh điện áp và loại nghịch lưu bao gồm bốn nhóm:

1) Bộ biến tần với nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng phương pháp điều chỉnh biên độ điện áp

2) Bộ biến tần với nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp một và hai cực

3) Bộ biến tần với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện

4) Bộ biến tần với nghịch lưu phụ thuộc

1.4 Các yêu cầu cơ bản của bộ biến tần van bán dẫn công suất cho truyền động điều chỉnh tốc độ

Các bộ biến tần van bán dẫn công suất (cụ thể hơn là dùng tiristo) dùng trong điều chỉnh tốc độ là thiết bị công suất để cấp cho động cơ điện hoặc là các nhóm động cơ điện xoay chiều với biên độ, tần số và số pha của

điện áp (dòng điện) được thay đổi trong một số dải điều chỉnh với mục đích

là điều khiển các động cơ này hoặc đồng thời các nhóm động cơ điện

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Chính với chức năng này của bộ biến tần đã xác định các yêu cầu đòi hỏi

đối với chúng Các yêu cầu này có thể chia ra thành ba nhóm:

1) Các yêu cầu chung đối với bộ biến tần như là một nguồn cung cấp

và một hộ tiêu thụ năng lượng điện

2) Các yêu cầu chung do việc sử dụng bộ biến tần trong lĩnh vực truyền động điện

3) Các yêu cầu chuyên dụng phụ thuộc vào chức năng của truyền động

và thông số của lưới cung cấp

* Đối với nhóm thứ nhất gồm các yêu cầu sau

1 Hiệu suất cao trong toàn bộ dải thay đổi các thông số đầu ra của bộ biến tần và tải của nó

Đây là yêu cầu quan trọng nhất bởi vì bộ biến tần là thiết bị công suất thực hiện việc truyền toàn bộ công suất hay phần lớn công suất đòi hỏi của

động cơ Hiệu suất của bộ biến tần phụ thuộc vào loại bộ biến tần, sơ đồ, công suất, tần số đầu ra và hệ số công suất của tải (cosϕ)

2 Kích thước và khối lượng nhỏ nhất

Bộ biến tần là một bộ phận không thể tách rời của truyền động Trong

đa số các trường hợp, nó được bố trí ngay trên máy công tác hoặc gần cạnh máy công tác, vì vậy khối lượng và kích thước của nó cần phải giảm thiểu tới mức tối đa Hoàn thành yêu cầu này bằng cách giảm khối lượng, kích thước các máy công tác (trong trường hớp các máy vận chuyển hoặc máy nâng là nâng cao hiệu suất của chúng), bằng cách tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí vận chuyển và diện tích sản xuất

3 Độ tin cậy cao

4 Về giá thành bộ biến tần: phải đảm bảo được giá thành bộ biến tần bao gồm giá thành bộ biến đổi và giá thành động cơ không được lớn hơn giá thành hệ truyền động dùng điện một chiều

5 Độ ồn và nhiễu sóng vô tuyến điện thấp

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

6 Hệ số công suất cao và dòng điện tiêu thụ lấy từ nguồn là nhỏ nhất

Bộ biến tần đối với lưới sơ cấp là một hộ tiêu thụ năng lượng điện, vì vậy cần phải thoả mãn các yêu cầu đòi hỏi đối với hộ tiêu thụ năng lượng Người ta mong muốn rằng bộ biến tần van bán dẫn công suất có hệ số công suất đạt 0,9 ữ 0,92 và cao hơn

Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều có hệ số công suất đạt tương đối cao (0,87 ữ 0,9) nhưng khi điều chỉnh điện áp xuống thấp hơn điện áp định mức (dùng phương pháp điều chỉnh biên độ bằng chỉnh lưu điều khiển) thì chỉ tiêu này bị giảm giống như trong bộ biến đổi tiristo dòng điện một chiều bởi cùng chính một nguyên nhân Vì vậy các phương pháp nâng cao hệ số công suất (cosϕ) bằng điều chỉnh điện áp cũng như là

đối với các bộ biến đổi dòng điện một chiều đó là: dùng các thiết bị bù, ứng dụng các sơ đồ điều chỉnh nhiều pha điều chỉnh theo trình tự nối tiếp đóng các bộ chỉnh lưu Nếu như việc ứng dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp một và hai cực cũng như việc cộng hình học các điện áp đầu ra của hai bộ nghịch lưu, hệ số công suất của bộ biến tần tiristo như một hộ tiêu thụ năng lượng thực tế là bằng 1, bởi vì các phương pháp điều chỉnh điện áp nêu trên sử dụng chỉnh lưu không điều khiển [20, 21]

Bộ biến tần trực tiếp chuyển mạch tự nhiên có hệ số công suất nhỏ hơn

hệ số công suất của phụ tải, còn khi điều chỉnh điện áp đầu ra xuống thấp hơn điện áp định mức, hệ số công suất này còn giảm mạnh hơn Giá trị định mức hệ số công suất của bộ biến tần này khoảng 0,5 ữ 0,7 Hiện nay cách thức duy nhất để nâng cao chỉ tiêu này là dùng các trạm tụ điện bù

Việc giảm thiểu dòng điện tiêu thụ của bộ biến tần lấy từ nguồn cung cấp có thể đạt được nhờ kết quả của việc nâng cao hệ số công suất và kết

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

quả của điều khiển quá trình làm việc của động cơ điện vì động cơ là tải của

bộ biến tần

7 Sự méo điện áp nguồn cung cấp nhỏ nhất do bộ biến tần gây ra

Sẽ là tốt nhất, nếu như bộ biến tần tiristo nhìn chung làm ảnh hưởng ít nhất đến nguồn cung cấp Sự méo điện áp nguồn cung cấp có thể gây ra do các bộ biến tần trực tiếp và các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều dùng chỉnh lưu điều khiển ở đầu vào Sự méo điện áp này càng rõ nét khi bộ biến tần có công suất càng lớn mà lại đấu vào lưới có công suất càng nhỏ Những bộ biến tần công suất lớn nêu trên chính là máy phát dòng

điện các sóng điều hoà bậc cao vào lưới điện và hình thành các mấu điện áp

ở thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các van trong bộ biến tần hoặc là trong bộ chỉnh lưu điều khiển

Để giảm sự ảnh hưởng của bộ biến tần với lưới cung cấp có thể sử dụng các phương pháp đã nêu trong [21] đối với bộ biến đổi dòng điện một chiều như: giảm tổng trở phản kháng đường dây và máy biến áp, sử dụng các bộ lọc cộng hưởng và các sơ đồ nhiều pha tương đương cho chỉnh lưu Phương pháp triệt để nhất để đáp ứng yêu cầu này đối với bộ biến tần dùng phương pháp điều chỉnh điện áp mà không dùng không dùng phương pháp

điều chỉnh pha điện áp (như chỉnh lưu điều khiển đối xứng hay bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo) là phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp một và hai cực

8 Bảo vệ tác động nhanh tin cậy khi có ngắn mạch cũng như khi lật nghịch lưu

9 An toàn trong lắp đặt và sửa chữa

* Đối với nhóm thứ hai

1 Sự không đối xứng về pha của điện áp (dòng điện) nhiều pha ở đầu

ra nhỏ nhất

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

2 Đảm bảo được việc trao đổi năng lượng một cách tự do hoặc điều khiển được quá trình trao đổi năng lượng phản kháng giữa bộ biến tần và

động cơ, giữa lưới nguồn với động cơ hoặc là giữa các pha của động cơ trong toàn bộ dải thay đổi của tần số đầu ra, thay đổi hệ số công suất và thay đổi tải

Đây là một trong những yêu cầu quyết định khi lựa chọn sơ đồ của bộ biến tần dùng cho điều chỉnh tốc độ và về bản chất cần phải đưa vào sự đảm bảo bằng sơ đồ các khả năng chảy của dòng điện qua tải với góc lệch pha so với điện áp tải (động cơ điện) Điều này đặc biệt quan trọng bởi vì để có

được yêu cầu này trong dải thay đổi rộng của tần số và điện áp đầu ra của

bộ biến tần, thay đổi hệ số công suất và thay đổi tải với điều kiện thực sự không có sự thay đổi nào về đặc điểm các quá trình của bộ biến tần, không cần thiết thay đổi các thông số bộ biến tần, không phức tạp thêm mạch công suất Chính điều kiện cuối cùng này đã làm cho bộ biến tần dùng nghịch lưu song song và nối tiếp không thoả mãn được các yêu cầu dùng cho truyền động điện điều chỉnh

3 Chứa ít nhất các sóng điều hoà bậc cao trong điện áp (dòng điện) ở

đầu ra

Yêu cầu này đòi hỏi trước hết là để giảm tổn thất công suất trong động cơ điện do thành phần sóng điều hoà bậc cao gây ra Thứ hai là cần thiết phải đảm bảo sự quay đều của trục động cơ với tần số rất thấp của điện áp phần ứng động cơ (điện áp stato) trong các truyền động có dải điều chỉnh tần số rất rộng (lớn hơn 20 : 1) và trong một loạt các trường hợp đặc biệt (chuyên dụng)

Để nhận được dạng sóng hình sin của điện áp (dòng điện) ở đầu ra của

bộ biến tần, liên quan đến việc phức tạp hoá sơ đồ và tăng tổn hao công suất trong bộ biến đổi có khâu trung gian dòng điện một chiều hoặc cần thiết phải đặt trạm các bộ lọc đầu ra rất cồng kềnh để tách các thành phần sóng

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

điều hoà bậc cao Như vậy cũng làm tăng thêm tổn hao trong bộ biến tần Vì vậy , do tính chất lọc của bản thân động cơ điện xoay chiều nên khi không có yêu cầu quay đều trong dải tần số rất thấp hoặc là các yêu cầu đặc biệt khác kiểu như thế, người ta cho rằng không nhất thiết phải đạt được dạng hình sin của điện áp (dòng điện) ở đầu ra của bộ biến tần

Đối với đa số các bộ biến tần dùng cho truyền động điện điều chỉnh

được phép và thoả mãn các yêu cầu truyền động ở dải điều chỉnh nhỏ hơn

20 : 1, có thể chấp nhận một dạng sóng mà trong đó điện áp (dòng điện)

đầu ra chỉ có các thành phần sóng bậc lẻ ngoài sóng bậc 3 và bội số của 3, như thế hệ số méo ki (tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của sóng bậc 1, còn gọi là sóng cơ bản, và tổng các giá trị hiệu dụng) cần phải không nhỏ hơn 0,955 Thông thường phần không sin của dạng sóng được đặc trưng bằng hệ số méo phi tuyến kf (tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của của các sóng điều hoà bậc cao và giá trị hiệu dụng của thành phần sóng bậc 1), đôi khi người ta còn gọi là tỷ lệ phần trăm các sóng điều hoà bậc cao [20] Mối liên hệ giữa hệ

số méo ki và hệ số méo phi tuyến kf được xác định bằng biểu thức:

A

A1001k

1

2 1

2 2

A - Giá trị hiệu dụng tổng của điện áp (dòng điện)

A1 - Giá trị hiêu dụng sóng cơ bản của điện áp (dòng điện)

Khi giá trị ki = 0,955, tương ứng với giá trị kf = 31%, điều này có nghĩa là trong điện áp (dòng điện) đầu ra của bộ biến tần có chứa 31% các sóng điều hoà bậc cao (gồm các sóng bậc lẻ trừ sóng bậc 3 và bội số của 3)

là chấp nhận được

Khi xem xét các yêu cầu nêu trên đối với các dạng sóng của điện áp xoay chiều ở đầu ra, chẳng hạn bộ biến tần cấp cho động cơ không đồng bộ

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

rô to lồng sóc, mô men cực đại của động cơ giảm từ (1 ữ 2)%, dòng điện với tải định mức tăng từ (1 ữ 4)% phụ thuộc vào loại bộ biến tần; hiệu suất của động cơ giảm từ (1 ữ 3)% Đối với động cơ cao tốc, các thông số đó còn lớn hơn

Trong hàng loạt các trường hợp (như động cơ cao tần công suất nhỏ) với ưu thế là đơn giản hoá sơ đồ bộ biến tần cho phép ở điện áp đầu ra (không phải là dòng điện) ở một vài chế độ chứa đến 60% sóng điều hoà bậc cao

Động cơ điện xoay chiều, cụ thể là những động cơ có các cuộn dây với

điện cảm lớn, tức là có tính lọc dòng điện tốt, vì vậy để đánh giá sự chấp nhận dạng sóng không hình sin ở mức độ nào đó của điện áp đầu ra (không phải là dòng điện) của bộ biến tần dùng cho truyền động điều chỉnh tốc độ, nếu chỉ hiểu biết về tỷ lệ phần trăm sóng điều hoà bậc cao là chưa đủ, mà còn phải biết thành phần của nó (số các sóng hài) và giá trị yêu cầu tối thiểu tần số sóng cơ bản Bởi vì dòng điện sóng điều hoà bậc cao chảy qua động cơ điện trước hết tỷ lệ nghịch với số thứ tự của chúng nên hệ số méo phi tuyến của dòng điện được xác định:

kf.I = k ∑

≠

n 1

n 2m1 2

2 mn

n.U

n - Số thứ tự (bậc) của sóng điều hoà

k - Hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào các thông số của động cơ điện và phụ thuộc vào tần số điện áp đầu ra của bộ biến tần

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Tổng các dãy bình phương biên độ tương đối của các sóng điều hoà bậc cao chia cho bình phương số thứ tự sóng hài càng nhỏ và dãy hội tụ càng nhanh thì hệ số méo phi tuyến (phần trăm của các sóng điều hoà bậc cao) của dòng điện lấy từ bộ biến tần càng nhỏ và tổn hao công suất do sóng điều hoà bậc cao trong động cơ điện càng nhỏ [20] Đối với trường hợp bộ biến tần cấp cho động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc, công thức (1-2) được viết ở dạng sau:

≠

n 1

n 21 2

2 Sn

* k 1

1

n.U

Uf

xI

- Tần số tương đối của thành phần điện áp bậc 1 phía ststo

USn - Giá trị điện áp hiệu dụng của thành phần sóng điều hoà bậc thứ

nhất nên đánh giá hệ số này ở chế độ định mức, nghĩa là khi giá trị hiệu dụng của điện áp và giá trị hiệu dụng của dòng điện thành phần sóng bậc 1 bằng giá trị điện áp và dòng điện định mức ứng với tần số định mức Khi

đó:

kf.Iđm = ∑

≠

n 1

n 21dm 2

2 Sn

Ux

1

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Trong đó:

xk* =

σ

=Z

xU

I

dm 1 S

dm 1 S

cơ

Zσ =

dm 1 S

dm 1 S

I

U

- Tổng trở cơ sở

Đối với các máy chung trong công nghiệp cùng một chủng loại

xk*=0,16ữ 0,23; trong đó giá trị lớn nhất đối với động cơ điện nhiều đôi cực

Đối với dạng sóng bậc thang chữ nhật, chỉ có các sóng điều hoà cao, bậc lẻ trừ các sóng điều hoà thứ tự không, nét đặc trưng là tỷ lệ nghịch giữa biên độ điện áp của sóng điều hoà với số thứ tự của chúng Khi đó công thức (1-4) có dạng:

kfI =

*

3 n

1

n 4

10.15,2n

1x

Trong trường hợp này, hệ số méo phi tuyến của dòng điện ở chế độ

định mức đạt khoảng kfI ≈ (20 ữ 29)% ứng với hệ số méo phi tuyến điện áp 31% ở đây đã tính đến tác dụng lọc chưa nhiều của động cơ đối với thành phần sóng điều hoà tần số thấp nhất (bậc 5) ứng với biên độ lớn nhất Đối với các sóng điều hoà bậc cao hơn, tính chất lọc của động cơ càng rõ hơn ngay cả với giá trị biên độ như ở bậc 5 Điều này được thấy rõ qua biểu thức (1-4)

Để đánh giá tính chất lọc của động cơ, có thể đưa vào khái niệm hệ số lọc của động cơ qđc Đó chính là tỷ số giữa hệ số méo phi tuyến của điện áp với hệ số méo phi tuyến của dòng điện phía stato ở chế độ định mức

Sử dụng (1-4) ta nhận được:

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

n 21dm 2

2 Sn

n 1

n 21dm

2 Sn

* fI

fU

n.UUU

U

n 4

n 1

n 2

*

10.15,2

096,0.x

n1n

1

qđc lại mang một ý nghĩa khác, vì vậy đối với các bộ biến tần loại này, việcđánh giá tính không hình sin của của dạng sóng là phải theo hệ số méo phi tuyến của dòng điện và như vậy các yêu cầu về dạng sóng cần phải chặt chẽ hơn so với các bộ biến tần tiristo dùng nghịch lưu nguồn điện áp

Có thể chỉ ra rằng tổn hao công suất trong động cơ không đồng bộ đối với các sóng điều hoà bậc cao Σ∆Pn ở điểm làm việc định mức so với tổn hao định mức là ∆Pđm như sau:

)1

(cos

k.rP

P

dm dm

2 fI

* dm

n

η

ưϕ

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

không đồng bộ công suất lớn

cosϕđm, ηđm - Hệ số công suất định mức và hiệu suất định mức của

động cơ

Từ (1-8) ta nhận thấy rằng đối với các bộ biến tần làm việc với tải

động cơ, yêu cầu cơ bản chính là dạng sóng của dòng điện đầu ra, còn yêu cầu về dạng điện áp có thể coi nhẹ hơn

Đối với các bộ biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp, công thức (1-8) có thể viết cùng với (1-6) ở dạng:

)1

(cos.q

k.rP

P

dm dm

2 dc

2 fU

* dm

n

η

ưϕ

đc lần so với dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng

điện (đối với trường hợp sử dụng (1-5) và (1-7) thì tổn hao lại nhỏ hơn từ 1,14 ữ 1,37 lần) Điều này là cơ sở để xác định giá trị giới hạn cho phép của

kfI khi đi vào tính toán sử dụng bộ biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện

Bản chất giá trị giới hạn cho phép của kfI ở bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều với dải điều chỉnh tần số

ra đến 20 : 1 có thể lấy kfI = 0,31 ở điểm làm việc định mức Với kfI = 0,31 theo (1-8) đối với các máy công nghiệp chung cùng chủng loại, tổn hao tương đối do sóng điều hoà bậc cao nằm trong giới hạn

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

biến tần nguồn áp với kfU=0,31, tổn hao này tương ứng là

Tổn hao cao hơn của bộ biến tần nguồn dòng điện cấp cho động không

đồng bộ so với bộ biến tần nguồn áp (với cùng dạng sóng điện áp và dòng

điện ở đầu ra) - đó chính là hạn chế của bộ biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện Tuy vậy từ (1-7) và (1-9) ta cũng thấy rằng kết luận này chỉ đúng với các trường hợp xk* > 0,15, vì đó là nét đặc trưng đối với đa số các động cơ cùng chủng loại được sử dụng trong công nghiệp chung Với

xk*=0,15, tổn hao trong động cơ không đồng bộ đối với cả hai loại bộ biến tần đều giống nhau; còn đối với xk* < 0,15, tổn hao trong động cơ không

đồng bộ được cấp từ bộ biến tần nguồn điện áp lớn hơn so với trường hợp

được từ bộ biến tần nguồn dòng điện Để tránh xảy ra tăng nhiệt độ quá nhiệt độ cho phép đối với cách điện của động cơ do ảnh hưởng của tổn hao phụ vì sóng điều hoà tần số cao, cần phải giảm tải trên trục động cơ Mô men cho phép Mcp của động cơ không đồng bộ (về mặt đốt nóng) ở tần số

định mức khi cấp từ bộ biến tần nguồn dòng điện được đánh giá theo công thức sau:

dm

n dm

cp

P

P64,11

1M

M

∆

∆+

≈

Điều này nhận được theo điều kiện cân bằng của toàn bộ tổn hao định mức ở điều kiện giữ giá trị dòng từ thông định mức của động cơ không

đồng bộ với tỷ lệ giá trị trung bình, tổn hao do dòng điện làm việc (dòng

điện rô to) đối với toàn bộ tổn hao được xác định là 0,61 cũng như có tính

đến sự tỷ lệ tổn hao do sóng điều hoà bậc cao với bình phương giá trị hiệu dụng của sóng bậc 1 của dòng điện rô to

Khi động cơ không đồng bộ được cấp từ bộ biến tần nguồn điện áp thì:

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

dm

n dm

cp

P

P64,11M

điều hoà bậc cao trong trường hợp này có ý nghĩa nhất định [20]

Tính toán theo (1-10) cho tỷ số ≈

dm

cpM

0,965 ữ 0,976, trong đó giá trị lớn nhất ứng với động cơ điện công

suất lớn, chuyển động nhanh, còn giá trị nhỏ ứng với động cơ công suất nhỏ, chuyển động chậm

Như vậy nếu chấp nhận tính không sử dụng được cho phép đối với

động cơ công suất trung bình và công suất lớn từ (2 ữ 3)%, còn động cơ công suất nhỏ đến 8% thì yêu cầu đối với dạng sóng các biến đầu ra của bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều ở dải điều chỉnh tần số đầu ra nhỏ hơn 20 : 1 có thể tạo được sao cho thành phần sóng điều hoà bậc cao có chứa trong dòng điện tải không được vượt quá kfI = 31% (tức là hệ số méo ki =0,955); thành phần sóng điều hoà bậc cao có trong điện áp đầu ra của bộ biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn

điện áp không được vượt quá kfU = 33% (tức là hệ số méo ki = 0,95)

Dùng tính không sử dụng được cho phép của động cơ công suất nhỏ theo điều kiện ứng dụng của chúng trong cơ cấu là (15 ữ 20)% là đủ đối với ứng dụng thực tế theo điều kiện sử dụng bộ biến tần nguồn điện áp trong một tổng thể hệ truyền động cho trước, có thể cho phép thành phần sóng

điều hoà bậc cao trong đường cong điện áp đầu ra nhỏ hơn 60% với mục

đích là làm đơn giản bộ biến tần trong trường hợp này, tổn hao do sóng

điều hoà bậc cao chiếm (13 ữ 18)% tổn hao định mức, như vậy là làm giảm

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

hệ số sử dụng cho phép về độ đốt nóng của động cơ không đồng bộ theo công suất chỉ còn nhỏ hơn 0,89 ữ 0,84 (giá trị lớn hơn theo hệ số sử dụng

đối với động cơ không đồng bộ công suất lớn, chuyển động nhanh), nhưng

hệ số hiệu suất ở điểm làm việc giảm tương ứng từ (1 ữ 4)%

Đối với các truyền động có dải điều chỉnh rất rộng (lớn hơn 20 : 1) đòi hỏi dạng sóng điện áp (dòng điện) gần hình sin hơn với mục đích là loại trừ các đập mạch về tốc độ và tính gián đoạn trong hoạt động của động cơ truyền động [6] Trường hợp này thành phần sóng điều hoà bậc cao có trong

điện áp (dòng điện) đầu ra của bộ biến tần không được vượt quá 16% Để nâng cao (cải thiện) chất lượng dạng sóng điện áp đầu ra, người ta sử dụng hai phương pháp chính (loại trừ việc đặt các bộ lọc ở đầu ra của bộ biến tần):

- Sử dụng sơ đồ tương đương nhiều pha

- Sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp một và hai cực

Ví dụ, với ứng dụng sơ đồ tương đương 12 pha đối với nghịch lưu, cho phép loại trừ tất cả các sóng điều hoà coa bậc 6k + q (với k=1, 2, 3, ; q=± 1) ở các biến xoay chiều ở đầu ra của bộ biến tần, như vậy cho phép giảm các thành phần sóng điều hoà bậc cao nhỏ hơn 16%

4 Giữ được độ chính xác theo yêu cầu cho trước đối với các biến xoay chiều ở đầu ra bộ biến tần như điện áp (dòng điện) và tần số khi thay đổi hệ

số công suất của tải trong giới hạn rộng cũng như khi có dao động của điện

áp nguồn cung cấp và nhiệt độ của môi trường trong một giới hạn cho trước)

5 Khả năng quá tải về dòng điện và điện áp của động cơ không đồng

bộ

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

6 Điều chỉnh trơn và riêng rẽ tần số và biên độ điện áp (dòng điện)

đầu ra của bộ biến tần trong một giới hạn rộng (trường hợp lý tưởng là từ 0

đến giá trị cực đại yêu cầu)

7 Độ tác động nhanh theo cả hai kênh điều khiển (tần số và biên độ)

8 Công suất đầu vào các kênh điều khiển nhỏ

9 Khai thác và cung cấp bộ biến tần trong tổ hợp hệ truyền động điện xoay chiều điều khiển tần số dùng tiristo

4 Không có biến áp ở đầu vào cũng như đầu ra của bộ biến tần

Như vậy, sau khi xem xét một cách ngắn gọn các tính chất chung nhất của bộ biến tần dùng tiristo (van bán dẫn công suất) và các yêu cầu đòi hỏi

đối với các bộ biến tần này, đó phải là các bộ biến tần đa chức năng thì mới thoả mãn được đầy đủ nhất tất cả các yêu cầu đòi hỏi đó đối với bộ biến tần

mà hiện nay chưa thể có được Đây chính là một trong những lý do cơ bản nhất để tồn tại tính đa dạng của các sơ đồ cũng như các loại bộ biến tần Lĩnh vực ứng dụng một loại biến tần cụ thể sẽ xác định nhóm yêu cầu

để bộ biến tần có thể thoả mãn ở mức tối đa

Mục đích của những nghiên cứu hiện nay là làm cho các bộ biến tần hiện đại có thể thoả mãn hầu như tất cả các yêu cầu đòi hỏi đặt ra Con

đường ứng dụng các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều bao gồm bộ chỉnh lưu không điều khiển (trong trường hợp cần thiết tái sinh

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

năng lượng đưa về nguồn thì thêm bộ nghịch lưu phụ thuộc) là hợp lý nhất

để có thể giải quyết vấn đề nâng cao hệ số công suất của bộ biến tần và thực

tế là loại trừ được các ảnh hưởng xấu đến nguồn cung cấp, mà điều này là rất khó khăn đối với các bộ biến đổi dòng điện một chiều

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Chương 2

bộ biến tần trực tiếp và các luật điều khiển

2.1 Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển bộ biến tần trực tiếp

2.1.1 Nguyên tắc hình thành điện áp đầu ra của bộ biến tần trực tiếp

Ta đã biết, cơ sở của bộ biến tần trực tiếp là hai bộ chỉnh lưu điều khiển có đảo chiều gồm m pha Nguyên lý tạo ra một nửa sóng điện áp đầu

ra là qua các bộ chỉnh lưu điều khiển có đảo chiều, thực hiện việc đấu phụ tải một cách có chu kỳ từ pha này sang pha khác của nguồn cung cấp cho

bộ biến tần Việc chuyển đổi này có thể được thực hiện ở điều kiện khi thế của pha được chuyển sang cao hơn thế của pha đang được đấu vào tải Quá trình chuyển đổi dòng điện như vậy giữa các van bán dẫn công suất được gọi là chuyển mạch tự nhiên [1]

Quá trình chuyển mạch có chu kỳ như vậy dẫn đến kết quả: nhóm van

đấu katốt chung (K) tức là katốt của các van nhóm này được chung với nhau và đấu trực tiếp vào tải, tạo nên một nửa sóng dương; còn nhóm anốt chung (A) tức là anốt của các van nhóm này đấu chung với nhau và đấu trực tiếp vào tải, tạo nên nửa sóng âm của điện áp đầu ra bộ biến tần trực tiếp (hình 1 - PL2)

2.1.2 Tần số điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp

Gọi m là số đập mạch điện áp chỉnh lưu của một nhóm van của bộ biến tần, trong đó các phân đoạn hình sin của điện áp nguồn cung cấp, mỗi phân đoạn liền kề nhau lệch nhau một góc 2π/m tạo nên điện áp đầu ra của

bộ biến tần Nếu trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra với độ dài l có chứa K các phân đoạn hình sin, thì độ dài nửa chu kỳ điện áp đầu ra được xác định theo biểu thức:

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

mm

2K

f

2

=π

Ta rút ra:

f2 =

2mK2

m

Ví dụ: Đối với sơ đồ biến tần ba pha - ba pha hình tia: m1 = m = 3;

m2=3; Kmin = 3 thì f2max =

233.2

3

f1

ư+ = 0,43f1

Đối với sơ đồ biến tần ba pha - ba pha hình cầu:

f2max=

26

Thực tế người ta chọn f2max=0,3f1 đối với biến tần hình tia và

f2max=0,5f1 đối với biến tần cầu ba pha

Nói chung, nửa chu kỳ thực tế điện áp ra không là bội số (N) so với nửa chu kỳ điện áp đặt phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp này và phụ thuộc vào thời điểm mở các van chỉnh lưu Với điện áp điều biến hình tam

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

giác đối xứng, có thể có sai số cực đại nửa chu kỳ thực tế của điện áp đầu ra

so với điện áp đặt ∆ttg:

∆ttg =

m2

Tm

2

T4

T4

Trong đó: T1 - Chu kỳ của điện áp nguồn

Trị số tương đối của sai số là:

γtg =

mN

1T

t2

2

tg =

∆

Trong đó: T2 - Chu kỳ điện áp đầu ra của bộ biến tần

Với sai số không lớn có thể chấp nhận rằng với điện áp điều biến hình sin, sai lệch thực tế một nửa chu kỳ điện áp đầu ra ∆tsin sẽ bằng sai số với

điện áp điều biến hình tam giác, tức là:

∆tsin ≈ ∆ttg và γsin ≈ γtgVới điện áp điều biến hình chữ nhật:

12

Tm2

T4

Tm

1N

1T

t2

2

Từ các công thức (2-4)ữ(2-7) ta thấy: sai số có thể ở một phần hai chu

kỳ thực tế so với điện áp đặt giảm xuống cùng với sự tăng của số m và K Nếu tần số đầu ra bộ biến tần trực tiếp không phụ thuộc vào dạng hàm điều biến khi góc mở van thay đổi từ 0 ữ π thì sai lệch nửa chu kỳ thực tế so với

điện áp đặt trong trường hợp điện áp điều biến hình chữ nhật lớn hơn so với trường hợp hàm điều biến có dạng hình tam giác

2.1.3 Phương pháp xây dựng dạng mong muốn của đường cong điện áp

đầu ra bộ biến tần trực tiếp

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Điện áp đầu ra của bộ biến tần trực tiếp gồm các phân đoạn hình sin của điện áp nguồn cung cấp Điện áp này luôn có thành phần sóng bậc 1 (dạng mong muốn) với tần số được xác định bằng luật điều khiển và các sóng điều hoà bậc cao, là các thành phần làm méo dạng điện áp yêu cầu ở

đầu ra Ta mong muốn dạng điện áp đầu ra và dòng điện biến tần có dạng gần với hình sin nhất Để làm được điều này có thể dùng hệ điều khiển phù hợp với bộ biến tần Chẳng hạn, trong hệ thống điều khiển mạch kín, tín hiệu đặt là dòng điện hình sin được so sánh với dạng đường cong của dòng

điện tải qua khâu phản hồi Hệ thống điều khiển tác động vào góc mở tiristo sao cho sai số của dạng đường cong dòng điện thực ở đầu ra so với tín hiệu

đặt là nhỏ nhất Số đập mạch chỉnh lưu m của bộ biến tần và tỷ lệ tần số N càng cao thì dạng đường cong dòng điện ra trên tải càng gần với hình sin [5] Từ đây ta có thể rút ra rằng: với tần số điện áp nguồn cho trước và sai

số cho phép của dạng đường cong thực của dòng điện hay điện áp so với hình sin có thể tính được tần số đầu ra cực đại của bộ biến tần

Dạng đường cong dòng điện trên tải trong hệ thống điều khiển mạch

hở được xác định bằng dạng đường cong điện áp và các thông số của tải Do dạng đường cong điện áp đầu ra được hình thành từ các phần hình sin của

điện áp nguồn cung cấp nên hình dạng đường cong điện áp ra phụ thuộc vào

số pha m1 trong sơ đồ bộ biến tần, tỷ số tần số đầu vào và đầu ra N và góc

mở van bán dẫn công suất α trong một trạm cụ thể, số pha và tỷ số tần số cực tiểu đã cho sẵn, vì thế việc tác động vào dạng đường cong điện áp đầu

ra của bộ biến tần chỉ có thể thực hiện được bằng sự điều biến góc mở các van bán dẫn công suất

2.1.4 Phương pháp điều khiển bộ biến tần trực tiếp

Sự thay đổi góc mở α của các tiristo được dùng để điều chỉnh trị số và dạng điện áp đầu ra bộ biến tần Giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình của các nhóm van thay đổi dấu của mình từ dương (hình 2a - PL2) ở chế độ chỉnh

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

lưu qua giá trị 0 (hình 2b - PL2) sang giá trị âm ở chế độ nghịch lưu (hình 2c - PL2)

Trong trường hợp này, quá trình nghịch lưu đạt được với điều kiện dòng điện tải liên tục, góc mở van lớn hơn π/2 và không thay đổi về pha so với sức điện động của mạch tải khi các diện tích S2 được giới hạn bằng các giá trị âm của đường cong điện áp đầu ra u2 trở lên lớn hơn các diện tích S1

được hạn chế bởi các giá trị dương của đường cong điện áp đầu ra, còn dòng điện ở mạch tải vẫn đang chảy theo hướng cũ, tương ứng với chế độ chỉnh lưu của các nhóm van

Sự chảy của dòng điện qua các van bán dẫn công suất ứng với phần

điện áp âm (các diện tích S1) là do điện cảm hoặc sức điện động của mạch tải Khi giảm giá trị điện cảm, các diện tích giảm và bộ biến tần chuyển sang chế độ dòng điện gián đoạn Điều kiện để chuyển vào chế độ này được xác định bằng giá trị điện cảm của tải, số pha của nguồn cung cấp và góc

mở của van bán dẫn công suất

Hình 3 - PL2 mô tả việc chuyển đổi của bộ biến tần từ chế độ dòng

điện liên tục (hình 3a - PL2) qua chế độ dòng điện gián đoạn (hình 3b - PL2) khi vẫn còn chế độ nghịch lưu sang chế độ làm việc với tải thuần trở (hình 3c - PL2)

Các phương pháp điều khiển bộ biến tần trực tiếp gồm:

1 Phương pháp điều khiển phối hợp

Nguyên tắc điều khiển phối hợp là các van của một trong các nhóm của bộ biến tần làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc mở α ≤ π/2, còn nhóm kia làm việc với góc mở β ≥ π/2 Quan hệ giữa hai góc α và β được chọn sao cho điện áp trung bình ở chế độ chỉnh lưu UtbCL và chế độ nghịch lưu

UtbNL phải bằng nhau Điều kiện này được duy trì nếu α + β = π

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

Tính ưu việt của điều khiển phối hợp là bộ biến tần làm việc không bị gián đoạn khi chuyển đổi một cách chu kỳ từ một nhóm van này sang nhóm van khác và tự động chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu khi làm việc ở tải với hệ số công suất bất kỳ

Nhược điểm của phương pháp này là do trị số điện áp tức thời của các nhóm van của bộ biến đổi này khác nhau, nên ở mạch vòng bên trong bộ biến tần, trừ mạch tải, xuất hiện dòng điện cân bằng cần phải hạn chế

2 Phương pháp điều khiển không phối hợp

ở chế độ điều khiển này, các góc α và β có thể được lựa chọn sao cho trị số điện áp trung bình ở chế độ nghịch lưu lơn hơn ở chế độ chỉnh lưu Như vậy góc α > π - β và dòng điện cân bằng sẽ giảm đi Phương pháp này thực hiện được nhờ bộ điều chỉnh dòng điện cân bằng Chính nhờ bộ phận

điều chỉnh này, quan hệ các góc α và β được duy trì sao cho dòng điện cân bằng không vượt quá trị số cho phép

3 Phương pháp điều khiển riêng biệt theo lập trình

Phương pháp này được sử dụng tốt nhất khi các thông số của mạch tải

đã được xác định rõ ràng ở phương pháp này, sơ đồ điều khiển thực hiện việc duy trì theo thời gian quá trình đóng lần lượt các nhóm van vào mạch tải Thời gian cần thiết để duy trì này được xác định bằng hệ số công suất tải theo tần số thứ cấp Như vậy khi hệ số công suất tải thay đổi, thời gian cần thiết duy trì sẽ khác đi vì rằng nếu vẫn giữ thời gian duy trì không đổi (do lập trình sẵn) sẽ dẫn đến làm xấu dạng đường cong điện áp đầu ra Các chỉ số của bộ biến tần trực tiếp có thể được cải thiện bằng cách lấy mạch phản hồi theo hệ số công suất của tải Qua khâu này, hệ sẽ tự động thay đổi thời gian duy trì tuỳ thuộc vào hệ số công suất của tải Việc thực hiện mạch phản hồi như vậy thực tế gặp nhiều khó khăn và đây cũng chính là hạn chế của phương pháp điều khiển này

Ch ương 1 Tổng quan về các bộ biến tần dùng van bán dẫn công suất

4 Phương pháp điều khiển riêng biệt không lập chương trình sẵn

Thực chất của phương pháp này là khi dòng điện đã chảy qua một trong các nhóm van của bộ biến tần thì cấm không được phát xung điều khiển vào các van của nhóm kia Để thực hiện phương pháp này cần phải kiểm tra dòng điện qua các nhóm và thiết bị cấm phát xung điều khiển phải

đảm bảo đủ độ tin cậy, nếu không, giữa các nhóm sẽ xuất hiện dòng điện cân bằng mà trị số của nó chỉ được hạn chế bởi điện trở trong của nguồn Ngoài ra, sau khi dòng điện đã giảm về 0 cần phải duy trì ở trạng thái này một thời gian để các van phục hồi lại tính chất điều khiển của mình sau khi

đã dẫn dòng (từ 6ữ10às) Việc rút ngắn thời gian giảm dòng điện về 0 ở các nhóm van đang làm việc có thể được thực hiện bằng cách đưa nhóm đó vào chế độ nghịch lưu với góc β không đổi

5 Phương pháp điều biến góc mở van của bộ biến tần

Ta đã biết, hình dạng điện áp đầu ra phụ thuộc vào số pha của điện áp nguồn, tỷ lệ tần số và phương pháp điều khiển góc mở các van của bộ biến tần Thông thường, trong các cơ cấu cụ thể, số pha và tỷ lệ tần số được cho trước, vì vậy để tác động lên dạng điện áp đầu ra của bộ biến tần chỉ có thể thực hiện bằng phương pháp điều biến góc mở các van của bộ biến đổi Nếu góc mở các van của bộ biến đổi cố định thì điện áp đầu ra có dạng gần như hình chữ nhật Có thể thay đổi góc mở các van của bộ biến đổi sao cho trị

số trung bình điện áp và phạm vi dẫn của các van chỉnh lưu thay đổi trong giới hạn chu kỳ điện áp đầu ra theo quy luật hình sin

Gọi điện áp điều khiển với tần số f2 (do máy phát sinh ra) là điện áp

điều chế, ký hiệu là uy còn điện áp có tần số fc (tần số này bằng hoặc chia hết với tần số f1 của điện áp đầu vào bộ biến tần) là điện áp được điều chế,

ký hiệu là uc ở thời điểm các giá trị của hai điện áp này bằng nhau, khi hiệu số uc-uy đổi dấu từ âm sang dương, hệ thống điều khiển tạo nên các