Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (f=50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Bộ biến tần chia làm 2 loại: biến tần trực tiếp (cycloconverter) và biến tần gián tiếp (có khâu trung gian 1 chiều).
Bộ biến tần trực tiếp (hình 3.6a) có hiệu suất biến đổi năng lượng cao, được sử dụng ở hệ thống công suất lớn. Phạm vi điều chỉnh là f2 ≤ f1. Nhược điểm của biến tần trực tiếp là sơ đồ mạch rất phức tạp, việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn do bị phụ thuộc vào tần số f1, tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn. Biến tần trực tiếp được dùng trong hệ truyền động công suất lớn.
Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ khối như hình 3.6b
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc biến tần
a. Biến tần trực tiếp b. Biến tần gián tiếp
Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp U1, f1 được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi nguồn một chiều thành nguồn điện áp xoay chiều bap ha U2, f2 cung cấp cho động cơ. Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi.
- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Biến tần gián tiếp làm giảm hiệu suất của biến tần nhưng lại cho phép thay đổi được tần số f2 mà không cần thay đổi f1. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của vi xử lý và
các phần tử bán dẫn công suất như IGBT, MOSFET, Thyristor... cho phép tận dụng tối đa các ưu điểm của loại biến tần này.
Bộ biến tần có thể chia làm ba loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu (theo sơ đồ hình 3-7 a, b, c)
Hình 3.7. Cấu trúc các loại biến tần.
a. Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung và bộ chỉnh lưu dùng diot.
b. Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu có điều khiển.
c. Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và bộ chỉnh lưu điều khiển dùng Thyristor.
Sơ đồ a làbộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diod. Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diot) có trị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM). Các mạch nghich lưu dùng các transistor (BJT, MOSFET, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sin nhất.
thyristor hoặc tranzisto). Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ, dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông.
Sơ đồ c là bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng thyristor. Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng đủ lớn. Biến tần nguồn dòng thích hợp cho truyền động đảo chiều, công suất động cơ truyền động lớn.
Ở biến tần gián tiếp, chức năng biến đổi tần số và điện áp được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Để điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu (giá trị hiệu dụng, giá trị trung bình trong một nửa chu kỳ hoặc biên độ của sóng điều hòa bậc một), ta có thể dùng các phương pháp sau:
Điều chỉnh điện áp một chiều: để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào của nghịch lưu có thể dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc bộ biến đổi xung áp một chiều. Khi điều chỉnh điện áp chỉnh lưu trong một dải khá rộng sẽ làm cho hệ số công suất của bộ biến đổi giảm, chất lượng điện áp một chiều cũng kém đi và kích thước của bộ lọc đòi hỏi sẽ lớn hơn.
Điều chỉnh điện áp phía xoay chiều: điều chỉnh điện áp phía xoay chiều có hai cách là dùng biến áp hoặc bộ biến đổi xung áp xoay chiều. Dùng biến áp sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi. khó điều chỉnh vô cấp và không nhanh. Còn nếu dùng bộ biến đổi xung áp xoay chiều sẽ làm xấu chất lượng ra của điện áp nghịch lưu, từ đó làm giảm hiệu suất và phải có bộ lọc với kích thước lớn.
Điều chỉnh bằng cách cộng điện áp của nhiều nghịch lưu: trong phương pháp này, các đầu ra của nghịch lưu được mắc nối tiếp thông qua thứ cấp của máy biến áp. Điện áp ra của các nghịch lưu sẽ có thứ tự pha khác nhau. Phương pháp này chỉ thích hợp khi tần số của nghịch lưu là cố định vì máy biến áp thường được tính với tần số cố định. Chất lượng của nó sẽ kém đi nếu tần số chuyển mạch tăng lên.
Điều chỉnh xung điện áp: giá trị tức thời điện áp ra của nghịch lưu là các xung áp. Nếu thay đổi độ rộng các xung này thì giá trị hiệu dụng của điện áp ra sẽ thay đổi. Đây là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Thực tế để điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu người ta hay dùng phương pháp điều chế độ rộng xung vì phương pháp này cho phép không những thay đổi được giá trị của điện áp ra mà còn khử được các sóng điều hòa bậc cao và làm cho điện áp ra là gần sin.
Hiện nay có 2 phương pháp điều chế cơ bản:
- Phương pháp PWM thông thường (dùng các phần tử analog). - Phương pháp PWM véctơ không gian (SVPWM).