BIẾN TẦN ĐA BẬC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Boä bieán taàn duøng ñeå chuyeån ñoåi ñieän aùp hoaëc doøng ñieän xoay chieàu ôû ñaàu vaøo töø taàn soá naøy thaønh ñieän aùp hoaëc doøng ñieän coù moät taàn soá khaùc ôû ñaàu ra. Vôùi chöùc naêng ñoù, boä bieán taàn thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu khieån vaän toác ñoäng cô xoay chieàu theo phöông phaùp ñieàu khieån taàn soá, theo ñoù taàn soá löôùi nguoàn seõ thay ñoåi thaønh taàn soá bieán thieân. Ngoaøi vieäc thay ñoåi taàn soá coøn coù söï thay ñoåi toång soá pha. Töø nguoàn löôùi moät pha, vôùi söï giuùp ñôõ cuûa boä bieán taàn ta coù theå maéc vaøo taûi ñoäng cô ba pha. Boä bieán taàn coøn ñöôïc söû duïng roäng raõi trong kyõ thuaät nhieät ñieän. Boä bieán taàn trong tröôøng hôïp naøy cung caáp naêng löôïng cho loø caûm öùng nhieät

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Chương GIỚI THIỆU BIẾN TẦN ĐA BẬC 1.1-Tổng Quan 1.1.1-Khái niệm Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đầu Với chức đó, biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay đổi tần số có thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha, với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động ba pha Bộ biến tần sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhiệt điện Bộ biến tần trường hợp cung cấp lượng cho lò cảm ứng nhiệt 1.1.2-Phân loại a.Theo tổng số pha, có biến tần: - Một pha - Ba pha - m pha b.Theo cấu trúc mạch điện, có biến tần: - Bộ biến tần gián tiếp (mạch chứa khâu trung gian chiều), ta phân biệt biến tần dùng nghòch lưu áp biến tần dùng nghòch lưu dòng với trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn với trình chuyển mạch cưỡng - Bộ biến tần trực tiếp (không chứa khâu trung gian chiều)- gọi cycloconverter Đa phần biến tần trực tiếp hoạt động với trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài, với tín hiệu điều khiển có dạng hình thang dạng điều hoà Ngoài ra, có số biến tần trực tiếp hoạt động với trình chuyển mạch cưỡng Trường hợp trình chuyển mạch phụ thuộc nguồn chia làm hai trường hợp nhỏ: trường hợp với dòng điện cân trường hợp dòng điện cân 1.1.3- Bộ biến tần gián tiếp Cấu tạo biến tần gián tiếp gồm có chỉnh lưu với chức chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố đònh ngõ vào nghòch lưu thực việc chuyển đổi điện áp ( dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp dòng xoay chiều ngõ ra.Bằng cấu trúc trên, ta điều khiển tần số đầu cách độc lập không phụ thuộc tần số vào Các biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ vài kW đến vài trăm kW.Phạm vi hoạt động tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ trăm Hz.Công suất tối đa chúng lên đến vài trăm MW tần số tối đa khoảng vài chục kHz 1.1.3.1-Bộ biến tần áp gián tiếp : Hình 1: biến tần áp gián tiếp a Mạch trung gian chiều Có chứa tụ lọc với điện dung lớn Cf (khoảng vài ngàn µF) mắc vào ngõ vào nghòch lưu.Điều giúp cho mạch trung gian hoạt động nguồn điện áp.Tụ điện với cuộn cảm Lf mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu.Cuộn kháng Lf có nhiệm vụ nắn dòng điện chỉnh lưu.Trong nhiều trường hợp cuộng kháng Lf không xuất cấu trúc mạch tác dụng nắn dòng thay cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh lưu.Do tác dụng diod nghòch đảo nghòch lưu, điện áp đặt tụ đạt giá trò dương.Tụ điện thực chức trao đổi lượng ảo tải nghòch lưu mạch trung gian b Bộ nghòch lưu áp Có dạng pha ba pha Quá trình chuyển mạch nghòch lưu áp thường trình chuyển đổi cưỡng bức.Trong trường hợp đặc biệt, nghòch lưu làm việc trình chuyển mạch với trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.Từ ta có hai trường hợp biến tần với trình chuyển mạch độc lập trình chuyển mạch phụ thuộc bên c Bộ chỉnh lưu Có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu pha ba pha.Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha.Nếu chỉnh lưu pha nghòch lưu ba pha, biến tần thực chức biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều chỉnh lưu phải chỉnh lưu điều khiển.Thông thường, chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm diode mắc dạng mạch cầu Độ lớn điện áp tần số nghòch lưu điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực trực tiếp nghòch lưu Ở chế độ máy phát tải (chẳng hạn hãm động không đồng bộ), lượng hãm trả ngược mạch chiều nạp cho tụ lọc Cf Năng lượng nạp cho tụ làm cho tăng lên đạt giá trò lớn gây áp Để loại bỏ SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ tượng điện áp tụ lọc Cf , phương pháp đơn giản tác dụng đóng mạch xả điện áp tụ qua điện trở mách song song với tụ thông qua công tắc bán dẫn (hoạt động dựa theo kết so sánh tín hiệu điện áp đo tụ với giá trò điện áp đặt trước cho phép) Một biện pháp khác đưa lượng áp tụ Cf nguồn lưới điện xoay chiều Ở trường hợp này, biến tần trang bò chỉnh lưu kép Khi đó, chỉnh lưu kép thực việc đảo chiều dòng điện điều kiện điện áp tụ không đổi dấu, lượng trả lưới điện xoay chiều qua chỉnh lưu Ngày nay, để nâng cao chất lượng điện năng, loại chỉnh lưu điều rộng xung (boost PWM Rectifier) với khả trả công suất nguồn với hệ số công suất cao (gần một) sử dụng Dòng điện trả lưới có dạng gần sin pha với điện áp xoay chiều 1.1.3.2-Bộ biến tần dòng gián tiếp : a.Mạch trung gian Chỉ có cuộn cảm Lf (khoảng vài mH) nen mạch trung gian thực chức nguồn dòng điện nghòch lưu Dòng điện mạch trung gian có chiều không thay đổi Dòng cuộn cảm nắn Cuộn cảm thực trao đổi ảo tải tiêu thụ mạch trung gian Cuộn cảm tạo điều kiện cho trình trao đổi chiều điện áp đầu vào nghòch lưu xảy nhanh chóng không phụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu Hình : biến tần áp gián tiếp sử dụng loại chỉnh lưu điều rộng xung b.Bộ nghòch lưu dòng Một pha thường gặp dạng ba pha Tuỳ theo trường hợp, nghòch lưu với trình chuyển mạch cưỡng trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghòch lưu với trình chuyển mạch phụ thuộc chất là chỉnh lưu có trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều tải hoạt động chế độ nghòch lưu Từ đó, ta phân biệtb biến tần với trình chuyển mạch cưỡng biến tần với trình chuyển mạch phụ thuộc Điều khiển nghòch lưu dòng thực theo phương pháp điều biên dùng kỹ thuật điều chế độ rộng xung SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình : biến dòng gián tiếp c.Bộ chỉnh lưu Gồm dạng : mạch tia, mạch cầu, pha ba pha Khi cần đòi hỏi phải truyền lượng theo hai chiều, ta cần chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển Trong trường hợp, dòng qua mạch DC phải điều khiển biên độ nên chỉnh lưu không điều khiển (gồm diode) sử dụng Để giảm bớt tượng áp chi tiết bán dẫn nghòch lưu, ta sử dụng nghòch lưu với tụ hạn chế điện áp mắc song song với tải sử dụng mạch tích lượng Các cấu trúc biến tần dòng đại sử dụng chỉnh lưu điều khiển độ rộng xung cho phép chỉnh lưu làm việc với hệ số công suất cao 1.1.4-Bộ biến tần trực tiếp Bộ biến tần trực tiếp cung cấp lượng bỡi nguồn điện áp xoay chiều có tần số, biên độ không đổi để tạo nên điện áp xoay chiều ngõ với giá trò hiệu dụng tần số điều khiển Bộ biến tần trực tiếp dùng để điều khiển truyền động động điện xoay chiều Theo trình chuyển mạch, biến tần trực tiếp phân biệt làm hai loại : biến tần có trình chuyển mạch phụ thuộc biến tần có trình chuyển mạch cưỡng Bộ biến tần có trình chuyển mạch cưỡng chứa linh kiện tự chuyển mạch GTO, transistor Bộ biến tần có trình chuyển mạch phụ thuộc sử dụng nhiều công nghiệp Tính phụ thuộc biểu khả ngắt dòng qua linh kiện thực nhờ tác dụng điện áp nguồn xoay chiều suất điện động xoay chiều tải Do mạch cần trang bò thyristor thông thường Với tải công suất lớn, việc sử dụng linh kiện chuyển mạch tự nhiên SCR có ý nghóa quan trọng hiệu kinh tế thiết bò Tuy nhiên phụ thuộc vào điện áp xoay chiều nguồn nên tần số điện áp ngõ bò giới hạn mức thấp tần số điện áp nguồn áp dụng truyền động động công suất lớn tốc độ chậm SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 4:bộ biến tần trực tiếp pha có trình chuyển mạch phụ thuộc 1.1.5-Tóm lại : Có thể nói nghòch lưu có vai trò quan trọng biến tần Bằng cách nghiên cứu phát triển cấu trúc phương pháp điều khiển nghòch lưu sử dụng bên có nhiều biến tần khác tối ưu Những biến tần sử dụng nghòch lưu áp đa bậc gọi tắt biến tần đa bậc Bắt đầu từ biến tần hai bậc Gọi biến tần hai bậc sử dụng nghòch lưu áp hai bậc (chứa hai khoá bán bán dẫn nhánh pha) Khái niệm hai bậc xuất phát từ trình điện áp đầu pha tải đến điểm điện chuẩn mạch thay đổi hai bậc giá trò khác Bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động với độ dốc ( dv/dt ) lớn gây số vấn đề khó khăn tồn trạng thái khác zero tổng điện từ pha đến tâm nguồn DC ( tượng common-mode voltage ) Ngày nay,bộ nghòch lưu áp đa bậc ( Multi-level Voltage Source Inverter ) với ưu điểm vượt trội phát triển để giải vấn đề gây nêu nghòch lưu áp hai bậc thường sử dụng cho ứng dụng điện áp cao công suất lớn Các ưu điểm nghòch lưu áp đa bậc : - Công suất nghòch lưu áp đa bậc lớn - Điện áp đặt lên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao trình đóng ngắt linh kiện giảm theo - Với tần số đóng ngắt, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm nhỏ so với trường hợp nghòch lưu áp hai bậc 1.2- Bộ nghòch lưu biến tần đa bậc 1.2.1-Bộ nghòch lưu áp 1.2.1.1- Cấu trúc dạng Cascade ( cascade inverter ) Sử dụng nguồn DC riêng, thích hợp trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dạng acquy, battery Cascade inverter gồm nhiều nghòch lưu áp cầu pha ghép nối tiếp, nghòch lưu áp dạng cầu pha có nguồn DC riêng SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình : Cascade inverter Bằng cách kích đóng linh kiện nghòch lưu áp pha, ba mức điện áp ( -U, 0, U ) tạo thành Sự kết hợp hoạt động n nghòch lưu áp nhánh pha tải tạo nên n khả mức điện áp theo chiều âm ( -U, 2U, -3U, -4U,….-nU ), n khả mức điện áp theo chiều dương ( U, 2U, 3U, 4U,…nU ) mức điện áp Như vậy, nghòch lưu áp dạng cascade gồm n nghòch lưu áp pha nhánh tạo thành nghòch lưu ( 2n + ) bậc Tần số đóng ngắt module dạng mạch giảm n lần dv/dt Điện áp áp đặt lên linh kiện giảm 0,57 lần, cho phép sử dụng IJBT điện áp thấp SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Ngoài dạng mạch gồm nghòch lưu áp pha, mạch nghòch áp đa bậc có dạng ghép từ ngõ nghòch lưu áp ba pha Cấu trúc cho phép giảm dv/dt tần số đóng ngắt 1/3 Mạch cho phép sử dụng cấu hình nghòch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghòch lưu đạt cân điện áp nguồn DC, không tồn dòng cân modulee Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng máy biến áp ngõ Hình : cascade inverter sử dụng nghòch lưu áp ba pha 1.2.1.2-Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp ( Neutral Point clamped Multilevel Inverter – NPC ) Sử dụng thích hợp nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghòch lưu đa bậc chứa cặp diode kèm có mạch nguồn DC phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn mắc nối tiếp.Điện áp pha-nguồn DC đạt ( n+ ) giá trò khác từ nghòch lưu gọi nghòch lưu áp ( n+ ) bậc Ví dụ chọn mức điện cuối dãi nguồn, mức điện áp đạt gồm ( 0, U, 2U, 3U,…nU ) Điện áp từ pha tải ( ví dụ pha a ) thông đến vò trí ( ví dụ H ) nhờ cặp diode kẹp điểm (ví dụ D1, D 1' ) Để điện áp pha-nguồn DC đạt mức điện áp nêu ( Ua0 = U ), tất linh kiện bò kẹp hai diode ( D1, D1’ ) – gồm n linh kiện măc71 nối tiếp liên tục kề nhau, phải kích đóng, linh kiện lại SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ phải khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch Như hình vẽ trên, tạo sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu gọi nghòch lưu sáu bậc Hình : Cấu trúc diode kẹp Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm shock điện áp linh kiện n lần Với nghòch lưu ba bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng cắt giảm nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chòu gai áp diode khác Ngoài ra, cân điện áp nguồn DC ( áp tụ ) trở nên khó khăn, đặc biệt số bậc lớn 1.2.1.3-Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter) Sơ đồ cấu trúc : SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Khi tụ tham gia nhiều theo chiều tăng số bậc biến tần Ưu điểm biến tần dạng : + Khi số bậc tăng cao không cần dùng lọc + Có thể điều tiết công suất tác dụng phản kháng nên việc điều tiết công suất lưới có dùng biến tần Nhược điểm : + Số lượng tụ công suất lớn tham gia mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng độ tin cậy giảm + Việc điều khiển khó khăn số bậc biến tần tăng cao 1.2.1.4-Trạng thái đóng ngắt Ở nghòch lưu n bậc, ứng với nhánh pha ta có n trạng thái đóng ngắt Tổng hợp nghòch lưu ta có n trạng thái đóng ngắt Chẳng hạn với nghòch lưu ba bậc ta có 33 = 27 trạng thái, nghòch lưu năm bậc 53 = 125 trạng thái Ví dụ xét nghòch lưu áp năm bậc dạng chứa cặp diode kẹp ( hình ) Gọi Udc/4 độ lớn điện áp tụ riêng lẻ Chọn điểm tâm nguồn DC vò trí ( hình ) SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình : Bộ nghòch lưu bậc Ta có bảng trạng thái đóng ngắt sau: Vout = Vxo Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 Sx4’ Sx3’ Sx2’ Sx1’ Udc/2 1 1 0 0 Udc/4 1 1 0 0 0 1 1 0 -Udc/4 0 1 1 -Udc/2 0 0 1 1 Với x = a, b, c Ta nhận thấy, trạng thái đóng ngắt khoá bán dẫn nhánh tải pha a, b , thỏa mãn điều kiện đối nghòch : Saj + S'aj = ; Sbj + S'bj = ; Scj + S'cj = (1.1) Với j = 1, 2, 3, …( n- ) SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 174 : điện áp pha C so với điểm chuẩn điện áp DC Hình 175 : điện áp pha C so với điểm chuẩn điện áp DC SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang 96 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 176 : điện áp điều khiển pha A trước sau hiệu chỉnh Hình 177 : điện áp điều khiển pha B trước sau hiệu chỉnh SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang 97 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 178 : điện áp điều khiển pha B trước sau hiệu chỉnh Hình 179 : điện áp hai đầu tụ C1 C2 SVTH: ĐỖ QUỐC ĐẠI Trang 98 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ b Mô với nghòch lưu năm bậc cấu trúc NPC Khối DLL dùng để hiệu chỉnh sóng điều khiển sử dụng chương trình viết ngôn ngữ visual C++ nhö sau : #include void _declspec(dllexport) ham (double t,double delt,double *in,double *out) { double Vc1,Vc2, Vc3, Vc4,Va,Vb, Vc; double a1,a2,a3,a4,c1,c2,c3,c4,c5,b; Va=in[8];Vb=in[9]; Vc=in[10]; Vc1=in[4];Vc2=in[5]; Vc3=in[6];Vc4=in[7]; c1=in[0];c2=in[1]; c3=in[2];c4=in[3];c5=in[11]; out[0]=0;out[1]=0;out[2]= 0;out[3]= 0; out[4]=Va;out[5]=Vb;out[6]=Vc; out[7]=0;out[8]=0;out[9]=0;out[10]=0;out[11]=0; b=Vc1+Vc2+Vc3+Vc4; a1=Vc1*4/b-2; a2=Vc2*4/b+a1; a3=Vc3*4/b+a2; a4=Vc4*4/b+a3; if((Vc1==Vc2)&&( Vc1==Vc3)&&( Vc1==Vc4)) { out[4]=Va;out[5]=Vb;out[6]=Vc; } else { if(Va