Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dịng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dịng điện cĩ một tần số khác ở đầu ra.
Ưng dụng: Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đĩ tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên. Ngồi việc thay đổi tần số cịn cĩ sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta cĩ thể mắc vào tải động cơ ba pha. Bộ biến tần cịn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện. Bộ biến tần trong trường hợp này cung cấp năng lượng cho lị cảm ứng.
Phân loại:
- Theo tổng số pha, các bộ biến tần
+ Một pha
+ Ba pha + m pha
- Theo cấu trúc mạch điện, các bộ biến tần
+ Gián tiếp (mạch chứa khâu trung gian một chiều), trong đĩ ta phân biệt biến tần dùng bộ nghịch lưu áp và biên tần dùng bộ nghịch lưu dịng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với quá trình chuyển mạch cưỡng bức.
+ Trực tiếp (khơng cĩ mạch trung gian một chiều) - cịn gọi là Cycloconvertor. Bộ biếntần trực tiếp cĩ thể hoạt động.
Với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngồi: tín hiệu điều khiển cĩ dạng hình thang hoặc dạng điều hịa:
Với quá trình chuyển mạch cưỡng bức (ít gặp).
Trường hợp quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn cĩ thể chia làm hai trường hợp: trường hợp với dịng điện cân bằng và trường hợp khơng cĩ dịng điện cân bằng
6.1.Bộ biến tần gián tiếp
Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm cĩ bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngõ vào và bộ nghịch lưu thực hiện việc chuyển đổi điện áp (hoặc dịng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dịng xoay chiều ở ngõ ra. Bằng cấu trúc như trên, ta cĩ thể điều khiển tần số ra một cách độc lập khơng phụ thuộc tần số vào
Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với cơng suất khoảng từ kW đến vài trăm kW. Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz. Cơng suất tối đa của chúng cĩ thể lên đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lị cao tần).
6.2.Bộ biến tần áp gián tiếp
7Uѭӡ QJ& DRÿҷ QJQJ KӅĈ ҳN/ҳ N Hình 6.56
Mạch trung gian một chiều: cĩ chứa tụ lọc với điện dung khá lớn Cf (khỏang vài ngàn F) mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu. Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như nguồn điện áp. Tụ điện cùng với cuộn cảm Lf của mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu. Cuộn kháng Lf cĩ tác dụng nắn dịng điện chỉnh lưu. Trong nhiều trường hợp, cuộn kháng Lfkhơng xuất hiện trong cấu trúc mạch và tác dụng nắn dịng của nĩ cĩ thể được thay thế bằng cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu. Do tác dụng của diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặt trên tụ chỉ cĩ thể đạt các giá trị dương. Tụ điện cịn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải của bộ nghịch lưu và mạch trung gian bằng cách cho phép dịng id2thay đổi chiều nhanh khơng phụ thuộc vào chiều của dịng
id1.
Bộ nghịch lưu áp:dạng một pha hoặc ba pha. Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức. Trong trường hợp đặc biệt bộ nghịch lưu làm việc khơng cĩ quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngồi. Từ đĩ, ta cĩ hai trường hợp bộ biến tần với quá trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngồi .
Bộ chỉnh lưu: cĩ nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc ba pha. Thơng thường ta gặp mạch cầu ba pha. Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộ nghịch lưu ba pha, bộ biến tần thực hiện cảchức năng bộ biến đổi tổng số pha.
Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều ra bộ chỉnh lưu phải là bộ chỉnh lưu điều khiển.
Thơng thường, bộ chỉnh lưu cĩ dạng khơng điều khiển, bao gồm các Diode mắc dạng mạch cầu. Độ lớn điện áp và tần số áp ra của bộ nghịch lưu cịn cĩ thể điều khiển thơng qua phương pháp điều khiển xung thực hiện trực tiếp ngay trên bộ nghịch lưu. Ở chế độ máy phát của tải (chẳng hạn khi hãm động cơ khơng đồng bộ), năng lượng hãm được trả ngược về mạch một chiều và nạp cho tụ lọc Cf. Năng lượng nạp về trên tụ làm điện áp nĩ tăng lên và cĩ thể đạt giá trị lớn cĩ thể gây quá áp. Để loại bỏ hiện tượng quá điện áp trên tụ Cf, một số biện pháp sau đây cĩ thể thực hiện. Phương pháp đơn giản nhất là tác dụng đĩng mạch xả điện áp trên tụ qua một điện trở mắc song song với tụ. Việc đĩng mạch xả tụ thực hiện nhờ cơng tắc bán dẫn S- hình H5.56 (chẳng hạn điều khiển áp tụ giữa hai giá trị biên) dựa theo kết quả so sánh tín hiệu điện áp đo được trên tụ với một giá trị điện áp đặt trước cho phép
Một biện pháp khác là thực hiện đưa năng lượng quá áp trên tụ Cf về nguồn lưới điện xoay chiều. Trong trường hợp này, bộ biến tần được trang bị bộ chỉnh lưu kép (hình H6.57).
Khả năng bộ chỉnh lưu kép cho phép thực hiện đảo chiều dịng điện qua bộ chỉnhlưu và bằng cách này, trong điều kiện chiều điện áp tụ lọc khơng đổi dấu, năng lượng được trả về lưới điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu.
7Uѭӡ QJ& DRÿҷ QJQJ KӅĈ ҳN/ҳ N Trang130 Hình 6.57
Xu hướng nâng cao chất lượng điện năng bằng cách sử dụng loại chỉnh lưu điều rộng xung (boost PWM Rectifier) đã cho phép thực hiện trả cơng suất về nguồn với hệ số cơng suất cao (gần như bằng một) (hình H6.58). Dịng điện đi qua nguồn lưới xoay chiều cĩ dạng gần như sin và cùng pha với điện áp xoay chiều.
Hình 6.58
6.3.Bộ biến tần dịng gián tiếp
Sơ đồ mạch được vẽ trên hình H6.59.
Mạch trung gian chỉ cĩ cuộn cảm Lf(khoảng vài mH). Nhờ nĩ, mạch trung gian thực hiện chức năng nguồn dịng điện của bộ nghịch lưu. Dịng điện của mạch trung gian cĩ chiều khơng thay đổi. Dịng được cuộn cảm nắn. Cuộn cảm cịn thực hiện chức năng trao đổi năng lượngảo giữa tải tiêu thụ và mạch trung gian. Cuộn cảm tạo điều kiện cho quá trình thay đổi chiều của điện áp ud2xảy ra nhanh chĩng khơng phụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu ud1.
Hình 6.59
Bộ nghịch lưu dịng:một pha hoặc thường gặp hơn ở dạng ba pha. Tùy theo trường hợp, cĩ thể là bộ nghịch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc. Bộ nghịch lưu dịng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc về bản chất là bộ chỉnh lưu cĩ quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều của tải và hoạt động trong chế độ nghịch lưu. Từ đĩ, ta phân biệt các bộ biến tần với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển mạch phụ thuộc.
7Uѭӡ QJ& DRÿҷ QJQJ KӅĈ ҳN/ҳ N
thuật điều chế độ rộng xung.
Bộ chỉnh lưu: cĩ nhiều dạng, mạch tia, mạch cầu, một pha hoặc ba pha. Khi cần địi hỏi phải truyền năng lượng theo hai chiều, ta chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu được.
Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển. Trong mọi trường hợp, dịng điện qua mạch dc phải được điều khiển về biên độ. Do đĩ, bộ chỉnh lưu khơng điều khiển (gồm các diode) khơng thể sử dụng được ở đây. Để giảm bớt hiện tượng quá điện áp trên các chi tiết bán dẫn của bộ nghịch lưu, ta cĩ thể sử dụng bộ nghịch lưu với tụ hạn chế quá điện áp mắc song song với tải hoặc sử dụng mạch tích năng lượng.
Các cấu trúc bộ biến tần dịng hiện đại sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển độ rộng xung, (buck PWM rectifier) (hình H6.60), cấu trúc loại này cho phép bộ chỉnh lưu làm việc với hệ số cơng suất cao.
Hình 6.61