kỹ thuật
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN
BIẾN TẦN TRỰC TIẾP
Bộ biến tần trực tiếp bao gồm hai nhóm bộ biến đổi nối song song ngược nhau, với dạng sóng điện áp u và dòng điện I trên tải được thể hiện rõ trong hình vẽ.
Công suất tức thời trên tải p = u.i thay đổi qua bốn giai đoạn Khi dòng điện i cùng chiều với điện áp u, ta có p = u.i > 0, cho thấy bộ biến đổi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu.
1.2.1 Biến tần trực tiếp một pha
Hình 1.4 Bộ biến tần trực tiếp một pha
Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kỳ được chia thành hai nhóm: nhóm dương (P) và nhóm âm (N) Thyristor trong mạch được kích hoạt không trễ (góc mở α = 0), do đó nhóm P hoạt động như một bộ chỉnh lưu diode Tải nhận được cả hai nửa chu kỳ của điện áp nguồn với biên độ điện áp, vì tải là thuần trở nên điện áp và dòng điện đồng pha Khi góc mở tăng, điện áp đầu ra giảm dần tiến tới mức không.
- Sự làm việc của các nhóm bị khóa:
Trên sơ đồ Hình 1.4, việc tiristor của nhóm dương P và nhóm âm N dẫn đồng thời có thể gây ra ngắn mạch nguồn Để ngăn chặn tình trạng này, có thể sử dụng cuộn kháng san bằng giữa các nhóm nhằm hạn chế dòng điện chạy vòng qua chúng, hoặc điều khiển sao cho nhóm này không thể hoạt động khi nhóm kia chưa bị khóa.
Để đạt được điện áp ra mong muốn, các khoảng dẫn của các nhóm chỉnh lưu và nghịch lưu cần được điều chỉnh không đều Việc điều chỉnh này nhằm tạo ra điện áp ra gần giống hình sin nhất có thể Do sự trễ của dòng điện tải, các khoảng dẫn giữa các nhóm sẽ khác nhau và nhóm sẽ ngừng dẫn khi dòng điện tải chuyển hướng Sự chuyển đổi giữa các nhóm chỉnh lưu và nghịch lưu diễn ra tức thời theo dạng sóng điện áp Tuy nhiên, trong thực tế, cần có một khoảng thời gian chết để đảm bảo dòng điện ngừng hoàn toàn, cho phép thyristor trở về trạng thái bị khóa trước khi kích hoạt nhóm tiếp theo.
Có thể chỉnh điện áp ra bằng cách chỉnh góc mở Tuy nhiên khi đó các điều hòa bậc cao sẽ tăng thêm
1.2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha
Hình 1.5 Bộ biến tần trực tiếp ba pha hình tia p = 3
Sơ đồ biến tần trực tiếp ba pha được trình bày trong Hình 1.5, với chỉ số đập mạch bậc ba và 18 thyristor, cung cấp điện cho tải ba pha Các nhóm biến đổi được kết nối theo hình tia Điện áp ra cực đại của bộ biến tần có chỉ số đập mạch p là một thông số quan trọng trong thiết kế hệ thống.
0 2 (1.1) Biên độ điện áp ra này phụ thuộc vào góc mở α:
U pha (1.2) Khi bộ biến tần ba pha trực tiếp có p = 3cung cấp cho tải ba pha đối
Trong hệ thống điện, khi cos = 0,707, dòng điện tải có dạng hình sin nhưng thực tế chứa nhiều điều hòa bậc cao Dòng điện tải trong từng chu kỳ không giống nhau, với điều hòa cơ bản chậm pha so với điện áp và các điều hòa bậc cao Thyristor được chuyển mạch tự nhiên, và tùy thuộc vào tính chất của tải, cần phải kích hoạt các thyristor để tạo ra điện áp mong muốn Dòng điện vào luôn chậm pha so với điện áp nguồn.
Gọi U 01 max là trị số cực đại của điều hòa cơ bản và max max
U r U Sự biến thiên của góc mồi α để tạo nên điện áp ra mong muốn hình sin được xác định bằng:
(1.3) là một hàm phi tuyến, với r ≤ 1 Tuy nhiên góc mồi của nhóm biến đổi dương
Góc mở của nhóm biến đổi dương không thể giảm xuống bằng không, vì điều này sẽ dẫn đến góc mồi của nhóm biến đổi âm N bằng 180 độ, điều này không khả thi do sự trùng dẫn của các thyristor Do đó, góc mở phải được giới hạn ở mức αmin, và điện áp ra sẽ giảm một lượng tương ứng với cosαmin.
1.2.3 Điều khiển biến tần trực tiếp
Nhiều sơ đồ điều khiển, bao gồm cả kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số, đã được phát triển để cung cấp xung điều khiển trực tiếp cho bộ biến tần Giả thiết rằng điện áp chuẩn e r = E r sinω 0 t với tần số mong muốn f 0, và tín hiệu điều khiển dạng cosin e m = E m cosω 1 t, điện áp điều biến có thể được tạo ra dưới dạng các điện áp dịch pha, với pha B tương ứng với các thyristor pha A và pha C tương ứng với các thyristor pha B.
E t E m o r i 30 sin 0 cos (1.5) Góc mồi của thyristor pha A là α = (ωt - 30 o ) do đó:
E m r sin 0 cos Điện áp ra bộ biến tần trực tiếp làm việc với dòng điện liên tục:
Biên độ, tần số và pha của điện áp ra có thể được điều chỉnh thông qua các thông số tương ứng của điện áp chuẩn e r, với giả thiết rằng đặc tính của bộ biến tần là tuyến tính.
Sai lệch điện áp giữa hai nhóm biến đổi dương và âm được khóa, với mạch đồng bộ tạo ra điện áp tựa e a, e b, e c đồng bộ với điện áp lưới Điện áp chuẩn e ra, erb, erc được sử dụng để so sánh với điện áp tựa Transistor một chuyển tiếp tần số biến thiên UJT tạo dao động tích thoát tần số 6f d, mở bộ đếm vòng để tạo điện áp ba pha hình chữ nhật tần số fd, điều khiển tần số cố định f c của bộ băm transistor ba pha Điện áp ra chứa các tần số (f c - f d), (f c + f d), (3f d + f c), trong đó thành phần tần số mong muốn f c - f d được lọc qua bộ lọc thông thấp, cho ra điện áp chuẩn e ra, erb, erc Mạch logic và tạo xung của mỗi pha so sánh điện áp chuẩn và điện áp điều chế để phát xung mồi Tín hiệu dòng điện vi của tải được phản hồi qua mạch lựa chọn nhóm biến đổi để phát nhóm dương hoặc âm, phụ thuộc vào dòng điện qua vị trí không từ âm sang dương hoặc từ dương sang âm Để tránh chuyển mạch bộ biến đổi không đúng, điện áp chuẩn được đưa vào ngưỡng dòng điện tải v i Mạch trễ tạo khoảng trống tránh ngắn mạch các pha Trong các bộ biến tần sử dụng vi xử lý, nhiều nhiệm vụ được thực hiện bằng phần mềm, với dạng sóng điện áp chuẩn phát trong máy tính, lưu trữ trong EPROM và truy cập theo điều khiển của chương trình và đồng hồ nhịp Điện sp tương tự có thể chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ đổi ADC, và việc so sánh động có thể thực hiện bằng kỹ thuật số và phần mềm, với điều khiển mồi sử dụng nguyên lý lấy mẫu đều.
BIẾN TẦN GIÁN TIẾP
f1 f1, u1 = f2 f2, u2 chỉnh lưu lọc nghịch lưu
Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi điện một chiều thành xoay chiều, sử dụng các khóa chuyển mạch để thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra theo chu kỳ Khác với bộ biến tần trực tiếp, bộ nghịch lưu hoạt động dựa vào lưới xoay chiều và phụ thuộc vào loại nguồn và tải, tương tự như bộ điều áp một chiều.
Các bộ nghịch lưu được phân làm hai loại:
- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều
Bộ nghịch lưu dòng hoạt động từ nguồn dòng một chiều, với loại nguồn được xác định theo điện áp hoặc dòng điện ra Bộ nghịch lưu điều khiển toàn sóng tạo ra từ sóng trong nửa chu kỳ, trong khi phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được sử dụng phổ biến nhờ vào sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất, giúp dễ dàng lọc điện áp và dòng điện Nghiên cứu sự làm việc của bộ nghịch lưu toàn sóng là cần thiết để so sánh với phương pháp điều biến độ rộng xung Bên cạnh đó, bộ biến tần cộng hưởng cung cấp điện áp hoặc dòng điện gần tần số cộng hưởng cho các tải tần số trung bình có hệ số công suất nhỏ, như trong ứng dụng đốt nóng bằng cảm ứng, đòi hỏi sự điều khiển đặc biệt Bộ biến tần nghịch lưu dòng hoặc áp thường được sử dụng trong các hệ thống truyền động điện xoay chiều có tốc độ thay đổi.
1.3.1.1 Biến tần nguồn dòng một pha
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng một pha và dạng dòng tải
Bộ nghịch lưu nguồn dòng là thiết bị quan trọng cho các hệ thống công suất lớn, đặc biệt khi sử dụng các van dẫn điều khiển hoàn toàn với tải cảm kháng Để đảm bảo dòng điện phản kháng có thể đi qua, cần sử dụng các diode tạo thành cầu ngược, giúp điều chỉnh dòng tải ngược chiều với điện áp cuộn dây Ld có điện cảm lớn Điều này không chỉ san bằng dòng chỉnh lưu mà còn lọc các thành phần sóng hài bậc cao, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hoạt động của sơ đồ bắt đầu với T2 và T4 dẫn dòng chảy từ B sang A tại thời điểm t = 0 khi T1 và T3 được mở Tuy nhiên, T2 và T4 bị khóa bởi các thiết bị chuyển mạch, khiến cho dòng chảy không thể thay đổi đột ngột Do đó, dòng vẫn tiếp tục chảy theo hướng D1 và D3, trong khi T1 và T3 vẫn bị khóa Từ thời điểm t1 đến t2, T1 và T3 sẽ dẫn dòng nếu còn xung điều khiển.
Từ t1 đến t2, xung mở T1 và T2, trong khi T3 và T4 bị khóa Tuy nhiên, từ t2 đến t3, D1 và D2 dẫn điện, và từ t3 đến t4, T2 và T4 mới dẫn điện Dòng điện áp ra trên tải có dạng hình sin chữ nhật “Sunus”, thể hiện là một hàm lẻ chu kỳ.
1.3.1.2 Biến tần nguồn dòng ba pha
Hình 1.8 Biến tần dòng ba pha
Khối nghịch lưu dòng chuyển đổi dòng điện một chiều sau bộ lọc thành dòng xoay chiều, phục vụ cho động cơ không đồng bộ ba pha Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh, nghịch lưu dòng thường được sử dụng cho các hệ thống công suất lớn với sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn, như thyristor, đóng vai trò van điều khiển hoàn toàn Nguồn điện một chiều U d qua cuộn dây có cuộn cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện ổn định I d.
Hình 1.9 Sơ đồ phân phối xung cho các thyristor
Trong cầu biến tần mỗi tiristor nối thêm một diode, gọi là diode chặn Các thyristor đều được mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, …
Trong mọi thời điểm, ngoại trừ giai đoạn trùng dẫn, chỉ có hai thyristor dẫn dòng Dòng điện tải có dạng sóng gần giống như sóng hình sin chữ nhật, bao gồm hai khối, và các khối này cách nhau một khoảng lý tưởng khoảng bằng π.
3 trong khoảng này dòng điện pha tải bằng 0
Các pha stator của động cơ lần lượt nhận các dòng điện “sin chữ nhật” lệch nhau góc 2
Tạo ra từ trường quay trong động cơ điện phụ thuộc vào tốc độ, được điều chỉnh bởi nhịp điệu cấp xung của cầu biến tần Động cơ điện sẽ sản sinh ra các sức điện động tương ứng ở các pha, được biểu diễn qua công thức: u r = 2 Usinωt và u s = 2 Usin(ωt - 2π).
3 ) (1.9) a Hoạt động của biến tần nguồn dòng ba pha:
Nguồn cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng điện một chiều, không bị ảnh hưởng bởi tổng trở của tải Để đạt được điều này, điện cảm Ld cần có giá trị lớn và các mạch vòng điều chỉnh dòng điện phải được sử dụng Dòng điện tải sẽ có dạng hình chữ nhật, được xác định bởi trình tự đóng cắt các van từ T1 đến T6.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:
3 (1.10) Giá trị hiệu dụng thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích Fourie là:
Hình 1 10 Sơ đồ chuyển mạch từ pha R sang pha S
Từ đây ta suy ra:
Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ xoay chiều, đồ thị điện áp tải sẽ xuất hiện các xung nhọn tại thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các pha.
Trong kỹ thuật, van điều khiển không hoàn toàn thường được sử dụng, do đó cần thiết phải có các mạch khóa cưỡng bức để đảm bảo chuyển mạch giữa các pha một cách ổn định Điều này giúp duy trì tần số và dòng điện trong phạm vi điều chỉnh rộng rãi, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Trong sơ đồ cầu, các thyristor T1 đến T6 được kết hợp với các diode cách ly D1 đến D6 nhằm ngăn chặn sự tạo thành mạch cộng hưởng giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn pha của động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình chuyển mạch diễn ra ổn định Để phân tích hoạt động của bộ nghịch lưu dòng ba pha, ta sẽ xem xét quá trình chuyển dòng điện từ pha R sang pha S và từ pha T sang pha R.
Giả sử T1, D1, D2 và T2 đang mở cho dòng chảy qua, dòng điện Id chảy vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra Lúc này, điện áp trên các tụ điện được xác định như sau: uc1 = uAB = U0, uc2 = uBC = 0 và uc3 = uCA = -U0 Khi t = t1, xung điều khiển mở T3, thyristor này sẽ mở và đặt điện áp uAB = -U0 lên T1 để khóa T1 Dòng điện Id từ nguồn lập tức chuyển qua T3, sau đó rẽ thành hai nhánh, với nhánh thứ nhất là Ic1 = 2Id.
3 , nạp điện cho C1; nhánh thứ hai Ic2 = Ic3 = I d
Trong mạch điện C2 nối tiếp C3, dòng điện từ hai nhánh hợp lại chảy qua D1 vào tải R và ra pha tải T Tại thời điểm t=t1, diode D3 chưa dẫn dòng Theo phương trình trong mạch vòng BARSB, ta có: u D3 = u c1 + u RS Khi t ≥ t2, uD3 bắt đầu lớn hơn hoặc bằng 0, diode D3 bắt đầu dẫn dòng, dòng Is tăng dần từ 0 đến trị I d, trong khi dòng IR giảm dần từ trị Id xuống 0 Tại thời điểm t=t3, quá trình chuyển mạch kết thúc và cả T3 và T2 đều dẫn dòng.
U AB = -U 0 , U BC = U 0 , U CA = 0 (1.17) b Chuyển dòng từ pha T sang pha R :
U A’B’ = 0, U B’C’ = U 0 , U C’A’ = -U 0 (1.18) Khi t = t 4 , cho xung điều khiển mở T 4 Thyristor này đặt điện áp -U 0 lên T 2 để khóa T 2 Dòng điện I d chảy qua D 2 , chia thành hai nhánh : nhánh thứ nhất I C5 =IC4= I d
3 nạp điện cho C5 và C4 ; nhánh thứ hai, I C6 = 2I d
3 nạp điện cho C6 Lúc này t = t4 vẫn chưa dẫn dòng
Trong mạch vòng A’C’TRA’, phương trình được thiết lập là u D4 = u C6 = u RT (1.19) Khi thời gian t đạt t5, điện áp u D4 bắt đầu tăng và diode D4 dẫn dòng Dòng điện IR gia tăng cho đến khi đạt giá trị Id, trong khi dòng IT giảm từ giá trị Id xuống 0 Quá trình chuyển mạch kết thúc tại thời điểm t6, khi đó các transistor T3 và T4 bắt đầu dẫn dòng.
SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC BỘ BIẾN TẦN TRONG TĐĐ
Ở đây ta chỉ xét sự cần thiết của biến tần trong việc điều tốc- truyền động điện
1.4.1 Sự cần thiết của biến tần trong công nghiệp
Với sự bùng nổ về chủng loại và số lượng biến tần hiện nay, nhiều thiết bị điện - điện tử đã ứng dụng công nghệ này Đặc biệt, một phần lớn các bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ điện.
Tốc độ động cơ điện là yếu tố quan trọng trong nhiều hoạt động công nghiệp, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của hệ thống Việc điều khiển và duy trì tốc độ động cơ được coi là vấn đề thiết yếu trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua các biện pháp nhân tạo như thay đổi điện áp, điện trở phụ hay từ thông giúp tạo ra các đặc tính cơ mới, đáp ứng yêu cầu của phụ tải Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ động cơ.
- Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức la biến đổi tỉ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện giúp giảm độ phức tạp của hệ thống và cải thiện đặc tính điều chỉnh Phương pháp này đặc biệt linh hoạt khi áp dụng trong các hệ thống điều khiển điện tử Do đó, bộ biến tần trở thành giải pháp hiệu quả để điều khiển tốc độ động cơ.
Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment
Trong các bộ điều khiển moment động cơ, ứng dụng quạt gió chiếm 55%, trong đó hệ thống HVAC (điều hòa không khí trung tâm) đóng góp 45% Ngoài ra, ứng dụng bơm, chủ yếu trong ngành công nghiệp nặng, cũng là một phần quan trọng trong lĩnh vực này.
Nâng cấp và cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ điều khiển tốc độ không đổi sang điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh giúp giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ, mang lại lợi nhuận lớn cho doanh nghiệp trong ngành công nghiệp.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm 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 trong 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
1.4.2 Biến tần- tiết kiệm điện năng
Các nhà máy và xí nghiệp thường sử dụng nhiều động cơ bơm, quạt và động cơ truyền động cần thay đổi tốc độ để đáp ứng nhu cầu sản xuất Trong quá trình sản xuất, tốc độ và lưu lượng của các thiết bị này phải được điều chỉnh linh hoạt Tuy nhiên, việc điều chỉnh lưu lượng cho động cơ xoay chiều ba pha, vốn có cấu tạo truyền thống, là một thách thức, vì tốc độ quay của nó thường không thay đổi theo tần số lưới điện xoay chiều 50Hz.
- p: số đôi cực của động cơ -n: tốc độ quay
Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tần số lưới điện, do đó, để điều chỉnh lưu lượng, cách hiệu quả nhất là thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp, tức là thay đổi tần số của lưới điện.
Trước đây, các công nghệ truyền thống chỉ thực hiện biến tần ở tần số cao và công suất nhỏ, chủ yếu trong lĩnh vực truyền thanh và truyền hình Tuy nhiên, việc áp dụng cho tần số công nghiệp và công suất hàng trăm kW vẫn chưa khả thi Do không thể điều chỉnh tần số của lưới điện, các nhà máy thường sử dụng biện pháp điều chỉnh lá chắn đầu vào và đầu ra cho hệ thống quạt Đối với hệ thống bơm, có ba phương pháp điều chỉnh chính: sử dụng van tiết lưu, sử dụng bypass và điều khiển on-off Đối với động cơ truyền động có tải cần thay đổi tốc độ, việc điều chỉnh thường được thực hiện bằng cách thay đổi tỷ số truyền thông qua việc thay đổi đường kính trục puli.
Mặc dù việc điều chỉnh theo các phương pháp trên có thể mang lại hiệu quả kỹ thuật, nhưng về mặt kinh tế, chúng không thực sự hiệu quả Động cơ vẫn hoạt động gần như không thay đổi, dẫn đến lượng điện tiêu thụ không giảm đáng kể.
Rào cản công nghệ đã được khắc phục, cho phép các quốc gia có nền kỹ thuật tiên tiến chế tạo máy biến tần công suất lớn, ứng dụng ngay trong sản xuất để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha, mang lại hiệu quả kinh tế cao Trong hệ thống bơm quạt, lưu lượng phụ thuộc vào tốc độ động cơ sơ cấp, mà tốc độ này lại phụ thuộc vào tần số nguồn điện Do đó, việc điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng thực hiện bằng cách thay đổi tần số nguồn điện Giải pháp tối ưu cho vấn đề này là sử dụng biến tần thay thế cho các van hay lá chắn.
Trong các hệ truyền động bơm và quạt, moment tải phụ thuộc vào tốc độ quay của trục theo hàm bình phương Lưu lượng ra của hệ tỉ lệ thuận với tốc độ quay, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa tốc độ và hiệu suất hoạt động của thiết bị.
M ≈ n 2 Trong khi đó công suất đòi hỏi của hệ thống bằng tích số giữa moment và tốc độ quay:
Do đó công suất đòi hỏi của hệ thống tỉ lệ với bình phương của tốc độ quay và cũng tỉ lệ với lập phương của lưu lượng:
Hình 1.24 Đường đặc tính lưu lượng- năng lượng cho van điều khiển đầu vào và đầu ra
Một sự thay đổi nhỏ trong tốc độ vòng quay của động cơ có thể dẫn đến sự biến động lớn trong công suất tiêu thụ Việc điều chỉnh lưu lượng đầu ra của bơm và quạt được thực hiện tại nguồn sinh ra lưu lượng, thông qua việc điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động Khi không cần sử dụng van hoặc để các van mở tối đa, sẽ không còn tổn thất năng lượng qua van Do đó, động cơ không cần phải sinh công suất cơ trên trục lớn hơn nhu cầu thực tế để vượt qua sức cản từ các van.
Bài viết so sánh đường đặc tính năng lượng-lưu lượng của bộ biến tần (Micromaster) với bộ điều khiển van đầu vào và đầu ra Kết quả cho thấy, khi sử dụng biến tần, đường biểu diễn năng lượng luôn thấp hơn đáng kể so với đặc tính van, đặc biệt khi lưu lượng ra được điều chỉnh xuống mức thấp Cụ thể, nếu giảm lưu lượng 20%, năng lượng tiêu thụ sẽ giảm gần 50% với biến tần, trong khi phương pháp điều khiển van chỉ giảm 2-3%.
Giải pháp tiết kiệm năng lượng kết hợp với khả năng điều khiển hệ thống đã khiến các bộ biến tần trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng truyền động như bơm, quạt và động cơ có tải cần điều chỉnh tốc độ.
Sử dụng biến tần không chỉ nâng cao khả năng điều khiển hệ thống mà còn giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả cho các ứng dụng có tải biến đổi theo tốc độ Để đạt được hiệu quả tối ưu trong vận hành, việc hiểu rõ đặc điểm của ứng dụng, áp dụng phương pháp tính toán và tận dụng các chức năng tự động hóa là rất quan trọng khi sử dụng biến tần và khởi động mềm.
1.4.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống TĐĐ dùng biến tần và các luật điều khiển
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ LỌC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Sóng hài bậc cao trong sản xuất gây ra nhiều tổn thất về kinh tế và kỹ thuật, khiến các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phải đối mặt với nhiều thách thức Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp hiệu quả đã được phát triển để hạn chế sóng hài bậc cao Vậy sóng hài bậc cao là gì, nguyên nhân hình thành chúng là gì, và các biện pháp hạn chế hiệu quả ra sao?
Sóng hài là hiện tượng dòng và áp suất xuất hiện trên lưới điện do các loại tải khác nhau gây ra Sóng hài bậc cao trong lưới điện thường gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng.
Sóng hài phát sinh từ nhiều nguyên nhân khác nhau, đặc biệt trong quá trình điều khiển tốc độ động cơ bằng các thiết bị như biến tần.
Tần số đóng cắt của cầu diode 6 xung là 300 Hz khi kết nối với lưới điện 50 Hz Các sóng hài do bộ chỉnh lưu sinh ra nằm trong khoảng tần số lên đến 3 kHz và có xu hướng quay ngược về phía nguồn cấp Mặc dù sóng hài phát ra từ bộ chỉnh lưu có tần số tương đối thấp, nhưng hài phía nguồn cấp chủ yếu tập trung ở các bậc hài thấp, với tần số tối đa đạt 3 kHz.
Phía động cơ, bộ nghịch lưu hoạt động với tần số đóng cắt lớn, thường từ 2 kHz đến 20 kHz, dẫn đến việc sinh ra sóng hài có tần số lên đến 10 MHz Sóng hài này được truyền qua cáp điện đến động cơ, tạo ra hài có tần số cao (trên 10 kHz) chồng lên dạng sóng sin bình thường.
Hình 2.1 Dạng sóng sinh ra phí nguồn cấp
Hình 2.2 Dạng sóng phía động cơ
Các biện pháp hạn chế sóng hài chính:
- Hạn chế công suất các tải phi tuyến
- Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến
Sử dụng bộ lọc là một phương pháp hiệu quả để hạn chế sóng hài trong đầu ra của các thiết bị biến đổi như biến tần Việc áp dụng bộ lọc giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tác động tiêu cực của sóng hài đối với hệ thống điện.
Một phương pháp hiệu quả để lọc hài trong hệ thống điện là sử dụng các bộ lọc, như bộ lọc điều chỉnh, được lắp thêm vào hệ thống Mặc dù việc lắp đặt dễ dàng mang lại sự thuận tiện, nhưng đây chỉ là giải pháp tạm thời Khi hệ thống điện thay đổi, chẳng hạn như khi có thêm tải phi tuyến, các giả thiết thiết kế bộ lọc cũng cần điều chỉnh Điều này có thể dẫn đến việc các thiết bị bù trở nên quá tải và không còn hiệu quả.
Bộ lọc được chia làm hai dạng: Bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Ngoài ra còn có bộ lọc số
BỘ LỌC TÍCH CỰC
Bộ lọc tích cực hoạt động dựa trên nguyên lý bơm vào hệ thống các sóng hài ngược pha với sóng hài do tải phi tuyến tạo ra, nhằm mục đích triệt tiêu các sóng hài này.
Bộ lọc tích cực được phân loại theo cách chúng được nối vào mạch:
- Nối song song rẽ nhánh
- Kết hợp giữa lọc tích cực và lọc thụ động.
BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
Bộ lọc thụ động được thiết kế để giảm thiểu các điều hòa bậc cao, với vị trí lắp đặt, kiểu bộ lọc và thông số cấu trúc cần điều chỉnh theo từng hệ thống điện cụ thể.
Bộ lọc thụ động thường có cấu trúc với nhiều đường dẫn song song có trở kháng thấp, giúp giảm thiểu sóng hài tại điểm xét Trong hệ thống điện, nguồn sinh sóng hài phân bố từ nhiều thiết bị khác nhau, khiến việc xác định trách nhiệm cho từng bộ lọc trở nên khó khăn Bộ lọc thường được đặt gần thiết bị để tận dụng điện kháng tại điểm lắp đặt Khi có đủ điện kháng, bộ lọc có thể hút sóng hài từ nhiều nguồn khác nhau, tại điểm gọi là điểm đổi nối chung (PCC) Tuy nhiên, việc thiết kế bộ lọc cần phải chú ý đến khả năng chịu tải để không bị quá tải khi tiếp nhận dòng hài từ các phần khác của hệ thống điện, làm cho quá trình tính toán trở nên phức tạp.
Hình 2.3 Hệ thống với các nguồn hài phân tán
Trở kháng của nguồn có thể được thể hiện qua điện cảm, và cách lọc đơn giản nhất là nối song song thêm một tụ Tuy nhiên, phương pháp này thường không hiệu quả do cần tụ rất lớn để tạo ra trở kháng nhỏ với bậc hài, chẳng hạn như bậc 5 Tụ lọc và điện kháng nguồn có điểm cộng hưởng song song, tạo trở kháng cao tại tần số dưới tần số lọc của bộ lọc Cộng hưởng này không xảy ra tại các tần số bội của nguồn cấp để tránh bậc hài tại các tần số đó Để giảm độ lớn của tụ lọc, có thể nối thêm cuộn kháng nối tiếp, tạo thành bộ cuộn kháng – tụ lọc được điều chỉnh cộng xuất hiện tại tần số cao hơn so với chỉ dùng tụ Hiện tượng cộng hưởng song song cần được tính toán cho từng trường hợp cụ thể Tại tần số lớn hơn tần số chỉnh của bộ lọc, sự suy giảm dòng hài với bộ lọc điều chỉnh sẽ thấp hơn so với bộ lọc chỉ dùng tụ.
Khi một bộ lọc được điều chỉnh chính xác đến một tần số hài cụ thể, chẳng hạn như bậc 5, nó sẽ tạo ra một trở kháng rất thấp tại tần số đó Điều này mang lại lợi ích cho quá trình lọc, nhưng đồng thời cũng khiến bộ lọc nhận dòng hài bậc.
Bộ lọc hài bậc 5 trong hệ thống điện có thể gặp tình trạng quá tải do sự cộng hưởng tại các bậc hài Để tránh tình trạng này, cần điều chỉnh bộ lọc, mặc dù điều này có thể làm giảm khả năng lọc hài của nó.
Cấu trúc lắp các bộ lọc tạo đường dẫn song song được minh họa trong hình 2.4, với đường dẫn trở kháng thấp và các hài xác định nhờ vào tụ điện và cuộn kháng điều chỉnh cộng hưởng Các bộ lọc này có thể bổ sung điện trở mắc song song với cuộn kháng để cải thiện khả năng làm suy giảm các hài bậc cao Thiết kế các bộ lọc cần chi tiết để đảm bảo trở kháng thấp tại tần số nhất định mà không gây ra trở kháng cao không mong muốn ở tần số khác.
Các hài được lọc theo phương pháp tương tự, và trong nhiều trường hợp, một bộ lọc chỉnh cho hài bậc 5 có thể là đủ Bộ lọc nối song song tạo ra các đường dẫn trở kháng thấp cho những sóng hài nhất định Thực tế, bộ lọc hài 3 pha có thể kết hợp bản tụ 3 pha nối tam giác với các cuộn kháng một pha.
Thiết kế cuối cùng của bộ lọc cần đảm bảo khả năng dự trữ, xem xét dung sai của các thành phần trong mạch và sự biến đổi của hệ thống điện.
Giá trị của tụ điện và cuộn kháng có thể biến động trong khoảng ±5% so với giá trị định mức, vì vậy cần xem xét thêm các yếu tố như nhiệt độ và điều kiện làm việc khác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng.
Bộ lọc thụ động có thể được phân chia thành một số loại như sau:
Sử dụng bộ lọc kiểu này không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn hoạt động hiệu quả trong nhiều trường hợp Bộ lọc được điều chỉnh để cộng hưởng nối tiếp tại một tần số hài nhất định, tạo ra đường dẫn trở kháng thấp cho dòng hài Thiết bị này được kết nối theo kiểu rẽ nhánh với hệ thống điện, giúp hạn chế sóng hài và cải thiện hệ số công suất Thực tế, các tụ bù hệ số công suất thường được tận dụng để tạo thành bộ lọc này.
Hình 2.5 Các bộ lọc thụ động thường gặp
Bộ lọc này tạo ra một điểm cộng hưởng song song tại tần số dưới tần số chỉnh, do đó cần tránh trùng với các tần số điều hòa khác Thông thường, bộ lọc được điều chỉnh để có tần số lọc nhỏ hơn một chút so với bậc hài cần lọc, nhằm tạo ra biên độ an toàn khi có sự thay đổi trong một số thông số.
Bộ lọc điều hòa bậc 5 có ảnh hưởng quan trọng đến hệ thống, vì vậy cần thiết kế chúng để lọc từ bậc hài nhỏ nhất nhằm tránh sự cố do hiện tượng cộng hưởng gây ra.
Các tụ điện hạ áp thường được nối theo cấu trúc tam giác, tạo thành bộ lọc rẽ nhánh điển hình như hình dưới đây.
Hình 2.7 Cấu trúc bộ lọc và một phần thay thế tương đương
Cấu trúc của bộ lọc không thu hút dòng điện thứ tự không do tụ nối tam giác, dẫn đến hiệu quả lọc các hài triplen thứ tự không kém Vì vậy, để hạn chế các hài này ở hạ áp, cần áp dụng các biện pháp khác.
Trong mạng phân phối, các tụ điện thường được nối theo kiểu sao, giúp hạn chế hài triplen hiệu quả Để lọc bỏ hài thứ tự không, việc lắp đặt một cuộn kháng ở trung tính của bộ tụ là phương pháp thông dụng.
BỘ LỌC SỐ
Hệ thống LTI (Linear Time Invariable) và mạch lọc số có thể được mô tả thông qua các bộ nhân, bộ cộng và bộ trễ đơn vị kết hợp thành sơ đồ dòng tín hiệu Sơ đồ này thực hiện các phép toán xác định, được biểu diễn bằng phương trình sai phân hoặc hàm truyền của hệ thống Mặc dù có nhiều dạng cấu trúc sơ đồ dòng tín hiệu, nhưng luôn tồn tại một cấu trúc tối ưu, hay còn gọi là cấu trúc chính tắc, với số lượng bộ nhân, bộ cộng và bộ trễ đơn vị tối thiểu Việc thiết lập cấu trúc này là bước đầu tiên trong quá trình thực thi phần cứng và phần mềm cho mạch lọc số.
Lọc tuyến tính và bất biến thời gian (LTI) được định nghĩa qua đáp ứng xung h(n), với tín hiệu đầu vào x(n) được tổng chập với h(n) để tạo ra tín hiệu đầu ra Để liên hệ giữa tín hiệu ra và vào, người ta thường sử dụng phương trình hiệu Trong lĩnh vực này, các cấu trúc mạch lọc được chia thành hai loại chính: IIR (Infinite Impulse Response) và FIR (Finite Impulse Response) Dưới đây, chúng ta sẽ lần lượt xem xét cấu trúc của hai loại mạch này.
Các bộ lọc số IIR có đáp ứng xung dài vô hạn và được mô tả bằng phương trình sai phân như sau:
(2.1) Đối với bộ lọc LTI nhân quả thì M ≤ N, ở đây N là bậc của mạch lọc số
2.4.1.1 Cấu trúc dạng trực tiếp của bộ lọc IIR
Lấy biến đổ z phương trình sai phân (2.1) và sau đó lập tỉ số Y(z)/X(z) ta sẽ thu được hàm truyền của mạch lọc này:
Cấu trúc trực tiếp của bộ lọc IIR bao gồm các thành phần chính như bộ cộng, bộ nhân và bộ trễ đơn vị Cấu trúc này được thể hiện qua phương trình sai phân, trong đó x[n] là đầu vào, y[n] là đầu ra, b0, b1, b2 là hệ số của bộ lọc, và a1 là hệ số hồi tiếp.
Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp 1 của mạch lọc IIR bậc N
Bây giờ nếu thực thi hàm truyền H 2 (z) trước, sau đó đến H 1 (z) có nghĩa là thực hiện hàm truyền H(z) dưới dạng sau:
H(z) = H 2 (z).H 1 (z) (2.6) Thì sẽ thu được cấu trúc dạng trực tiếp 2 của mạch lọc IIR x[n] y[n] b 0 b 1 b 2 a 1
Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp 2 của mạch lọc IIR
Sau khi thu được dạng cấu trúc 2 ta thực hiện phép chuyển vị sao cho
H1(z) thực hiện trước rồi mới đến H2(z), có nghĩa là ta thực thi làm hàm truyền H(z) dưới dạng:
2.4.1.2 Cấu trúc dạng nối tiếp của bộ lọc IIR
Trong nhiều ứng dụng thực tế, hàm truyền của mạch lọc bạc N thường được phân tích thành tích của các hàm truyền bậc hai Việc thực hiện dạng khai triển này giúp tạo ra cấu trúc trực tiếp cho các hệ thống bậc hai.
Thật vậy hàm truyền H(z) từ (2.2) có thể khai triển dưới dạng sau:
L N Vậy nếu N lẻ thì ngoài các hệ thống bậc hai còn có một hệ thống bậc nhất ghép nối tiếp và
Là hàm truyền của mạch lọc bậc hai thứ i x[n] y[n] b 11 b 21 a 11
Hình 2 15 Sơ đồ cấu trúc nối tiếp của mạch lọc IIR bậc 4
2.4.1.3 Cấu trúc dạng song song của bộ lọc IIR
Nếu phân tích các hàm truyền H(z) của mạch lọc IIR bậc N (2.2) thành tổng các hàm truyền bậc hai như sau:
Khi N là số chẵn, cấu trúc thu được sẽ bao gồm các hệ thống bậc hai ghép song song Ngược lại, nếu N là số lẻ, ngoài các hệ thống bậc hai, còn có các hệ thống bậc nhất cũng được ghép song song Mạch lọc bậc này cho phép tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng khác nhau.
2 thứ I có hàm truyền dạng:
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc dạng song song của mạch lọc IIR bậc 4
Mạch lọc FIR bậc M có hàm truyền H(z) dạng như sau:
Quan hệ giữa tín hiệu vào x[n] và tín hiệu mối ra y[n] được biểu thị bằng phương trình sai phân bậc M:
] [ (1.12) Ở đây hệ số bm (m = 0, 1, …, M) cũng chính là đáp ứng xung đơn vị của mạch lọc
2.4.2.1 Cấu trúc dạng trực tiếp của bộ lọc FIR
Phương pháp phổ biến nhất để thực hiện bộ lọc FIR là phương pháp dạng trực tiếp, sử dụng đường trì hoãn rẽ nhánh (tapped delay line), như được minh họa trong hình 2.17.
Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp của mạch lọc FIR bậc M
Cấu trúc này cần M + 1 phép nhân, M phép cộng và M trì hoãn Tuy nhiên, nếu có sự đối xứng trong đáp ứng xung đơn vị, số lượng phép nhân có thể được giảm bớt.
2.4.2.2 Cấu trúc nối tiếp của bộ lọc FIR
Nếu phân tích hàm truyền H(z) từ (2.11) thành tích các hàm truyền bậc hai dưới dạng:
Hình 2.18 Sơ đồ mạch lọc FIR bậc 6 ghép nối tiếp
Mạch lọc FIR được thực hiện dưới dạng các mạch lọc bậc hai kết nối nối tiếp Nếu M là số lẻ, sẽ có thêm một mạch lọc bậc nhất kết nối nối tiếp bên cạnh các mạch lọc bậc hai.
2.4.2.3 Cấu trúc mạch lọc FIR pha tuyến tính
Khi đáp ứng xung của bộ lọc FIR thỏa mãn điều kiện đối xứng h[n] = ± h[M-n] với n = 0, 1, 2, …, M-1, có thể giảm một nửa số bộ nhân hệ số trong sơ đồ dòng tín hiệu.
Hình 2.19 Cấu trúc mạch lọc FIR pha tuyến tính
Trong chương này, chúng ta đã khám phá các dạng bộ lọc, nhận diện ưu điểm và những hạn chế của chúng Bên cạnh các bộ lọc thường dùng trong truyền động điện, chúng ta cũng đã tìm hiểu về bộ lọc số Qua đó, tầm quan trọng và cách sử dụng bộ lọc hiệu quả được làm rõ Các nhà khoa học đã nghiên cứu nguyên nhân phát sinh sóng hài và dao động, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu, dẫn đến sự ra đời của các bộ lọc đáp ứng yêu cầu thực tiễn.
Ngày nay, bộ lọc được sử dụng phổ biến và sự phát triển của công nghệ no đã mang lại lợi ích lớn cho các doanh nghiệp, giúp họ tối ưu hóa quy trình sản xuất và đạt hiệu quả cao nhất.
