Bộ nghịch lưu áp 1 pha:
Bộ nghịch lưu áp dùng BJT mắc theo dạng mạch cầu (Hình 8.3.a) cĩ 4 cơng tắc (BJT) và 4 diode mắc đối song.
+280VDC 10 10 C2939 1N5408 1N5408 C2939 10 C2939 10 1N5408 1N5408 C2939 - Tải (a) S1, S2 S3, S4 Utả + - (b)
Hình 8.3 (a) Bộ nghịch lưu áp 1 pha.
+ U/2 S1 S3 S5 S1 S3 S5 + U - S4 S4 U/2 S6 S2 S6 S2 - J1 J2 J3 U11 U12 U13 Hình 8.4 : Bộ nghịch lưu áp 3 pha 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp :
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rơng xung (PWM) và qui tắc kích đĩng đối nghịch. Qui tắc kích đĩng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích cơng tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung cĩ tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sĩng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.
Dựa vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đĩng các cơng tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta cĩ thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau như sau.
a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM)
Giản đồ kích đĩng cơng tắc bộ nghịch lưu dựa trên cở sở so sánh 2 tín hiệu cơ bản :
sĩng điều chế tần số cao và sĩng điều khiển dạng sin.
Sĩng điều chế cĩ thể ở dạng tam giác. Sĩng điều khiển mang thơng tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sĩng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp 3 pha, 3 sĩng điều khiển của 3 pha phải tạo lệch nhau 1/3 chu kỳ của nĩ.
b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuơng (Square PWM)
c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM)
Ảnh hưởng của một số sĩng hài bật thấp chứa trong điệnn áp ra cĩ thể được khử bỏ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu. Giản đồ kích đĩng các cơng tắc được thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là gĩc kích đĩng các linh kiện. d. Phương pháp điều chế theo dịng điện
Giản đồ kích đĩng các cơng tắc được xác định trên cơ sở so sánh dịng điện yêu cầu của tải và dịng điện đo được.
e. Phương pháp điều rộng
Cịn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung đơn, là trường hợp đặt biệt của phương pháp điều chế độ rộng xung. Trong mổi nữa chu kỳ, áp ra chỉ cĩ một xung điện áp. Độ lớn điện áp cho tải được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung điện áp. Phương pháp này chỉ áp dụng điều khiển bộ nghịch lưu áp 1 pha.
f. Phương pháp điều khiển theo biên độ
Gọi tắc là phương pháp điều biên. Phương pháp này đồi hỏi điện áp nguồn điều khiển được. Các cơng tắc trong cặp cơng tắc cùng pha được kích đĩng với thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra.
Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ cịn gọi là bộ nghịch lưu 6 bước (six-step voltage inverter)
Trong bài này sử dụng vi điều khiển 89C51 để tạo xung điều khiển, nĩ được lập trình cung cấp 3 tín hiệu điều khiển lệch pha 1200 ở 3 port P3.0, P3.1 và P3.2 và cĩ thể chọn một trong 3 tần số 40Hz, 50Hz, 100Hz cho dịng điện ra trên tải.
Sơ đồ chi tiết của bộ biến tần trong bài thí này được được in kèm theo board mạch thí nghiệm.
8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110
a. Giới thiệu chung
- Sinamics G110 là biến tần cho phép thay đổi tần số như mong muốn để điều khiển động cơ AC 3 pha. Hiện dịng sản phẩm cĩ nhiều model với cơng suất từ 120W đến 3KW. Model sử dụng trong bài thí nghiệm cĩ cơng suất 2.2KW.
- Biến tần G110 là một hệ vi xử lý và điều khiển dùng cơng nghệ IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor). Sản phẩm cĩ độ tin cậy cao và linh hoạt trong các ứng dụng. Việc sử dụng phương pháp biến điệu độ rộng xung đặc biệt, với tần số xung cĩ thể lựa chọn cho phép motor hoat động thật yên tĩnh và nhẹ nhàng. Bên cạnh đĩ, với các tính năng bảo vệ tồn diện giúp bảo vệ an tồn cho chính biến tần G110 và motor kết nối khi sử dụng.
- G110 cĩ thể sử dụng theo hai phương thức điều khiển:
+ Điều khiển Analog – dùng mạch tương tự kết nối với các ngõ vào của G110. + Điều khiển USS – dùng chuẩn RS485.
6). V. c nối với sử dụng u. pha.
b. Sơ lược cấu tạo.
L1,L2/N BOP DIN10 U,V,W,PE Hình 8.5: Hình dạng biến tần G110 - G110 với gĩc nhìn từ đỉnh (Hình 8. + L1, L2: nối với nguồn điện 220 + PE (Protect Circuit): thường đượ mass của biến tần G110.
+ Led: dùng để hiện thị giúp người biết được trạng thái của G110. + DC+, DC-: ngõ ra điện thế 1 chiề + U, V, W: Kết nối với động cơ 3 + DIN 10: Các ngõ vào của G110.
DIN10
- Sơ đồ khối của G110 (Hình 8.7):
c. Sử dụng
Hình 8.7
G110 cĩ thể điều khiển động cơ bằng nhiều cách: + Thơng qua các DIP trên G110
+ Keypad
+ PC (mode USS).
- Để điều khiển hoạt động của G110, người điều khiển phải nhập vào các tham số (Parameter). G110 sẽ lấy giá trị các tham số này, tính tốn và thực hiện điều khiển tương ứng ở ngõ ra.
Các tham s ố đ iề u k h iể n: - P0003: Cấp độ truy nhập các thơng số. 1: Standard. 2: Extended. 3: Expert 4: Reserved - P0010: Cài đặt chế độ chấp hành cho G110. 0: Ready 1: Quick Commissioning. 2: Inverter. 29: Download 30: Factory setting
- P0100: Europe / North America. 0: kw/50hz.
1: Hp/60hz. 2: kw/60hz.
- P0700: Chọn bộ điều khiển:
1: BOP (Basic Operation Panel) 2: Terminal / Digital input 3: USS Interface
Tên Chức năng
P0304 Điện thế định mức của động cơ P0305 Dịng điện định mức của động cơ P0307 Cơng suất định mức của động cơ P0308 Hệ số cơng suất
P0310 Tần số hoạt động
P0311 Số vịng quay trong 1 phút P0335 Chọn chế độ làm mát cho motor P0640 Tham số về dịng quá tải cho phép P1000 Lựa chọn tần số đặt trước
P1080 Tần số nhỏ nhất
P1082 Tần số lớn nhất
P1120 Thời gian tăng đến tần số lớn nhất P1121 Thời gian giảm từ tần số lớn nhất về
0
P1300 Chọn chế độ điều khiển
P3900 Chọn kết thúc Quick
Commissioning
Sử dụng BOP để truy nhập vào các tham số tương đối đơn giản: 1. Nhấn để vào chọn các tham số.
2. Nhấn đến khi tham số cần hiệu chỉnh hiển thị trên màn hình. 3. Nhấn để hiển thị giá trị hiện tại của tham số.
4. Nhấn hoặc để chọn giá trị cần thiết lập. 5. Nhấn để chấp nhận giá trị vừa thay đổi. 6. Lặp lại từ bước 2 cho các thơng số kế tiếp.
8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH A. Câu hỏi lý thuyết A. Câu hỏi lý thuyết
1. Cơng suất của một dịng điện hình sin phụ thuộc vào tần số của nĩ như thế nào? 2. Tốc độ quay của một motor AC thay đổi theo tần số của nguồn cấp điện như thế nào?
3. Từ sơ đồ mạch hãy cho biết các xung điều khiển S1, S2, S3, S4, S5, S6 lệch pha nhau như thế nào ?
4. Bộ biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp khác với biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu dịng ở điểm nào?
B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT cơng suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. dùng vi điều khiển 89C51.
1. Mắc tải R(bĩng đèn) vào mạch biến tần theo kiểu Y (đấu hình sao):
a. Chọn tần số 40Hz, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng xung điều khiển S1 ( tại JH1), S3 (tại JH9) và S5 (tại JH4) từ đĩ cho biết phương pháp điều khiển là phương pháp gì?
b. Thay đổi tần số (theo trình tự như sau: ngắt điện nguồn, ấn nút xả điện X, mở nguồn điện lại, ấn nút chọn tần) đo điện áp hiệu dụng trên tải (trên một pha xác định). Lập bảng :
Tần số (Hz) 40Hz 50Hz 100Hz
Vtải(V) Ptải= V2tải/R
Cho nhận xét về sự phụ thuộc của cơng suất vào tần số.
c. Dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng điện áp ra trên tải trên một pha xác định (chú ý : dùng dây lấy tín hiệu cho oscilloscope cĩ mạch giảm áp) , nhận xét.
2. Mắc tải R_L vào mạch biến tần theo kiểu Y, chọn tần số 40Hz, dùng Oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng điện áp trên tải (trên một pha xác định)
3. Thay tải R_L bằng motor 3 pha, thay đổi tần số và quan sát tốc độ quay của motor. Suy ra sự phụ thuộc của tốc độ quay vào tần số của nguồn điện cấp cho motor. Lúc khởi động motor, nguồn cấp điện cho motor cĩ tần số thấp hay cao? Tại sao?
C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110.
1. Điều khiển G110 từ các DIN
Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ từ mạch điện kết nối từ bên ngồi:
- Cài đặt các tham số: + P0700=2 + P1000=2
- Tác động lên các SW ta sẽ điều khiển on/off và chiều quay của động cơ. Thay đổi tần số bằng cách điều chỉnh biến trở.
* Sau khi motor hoạt động, nhấn giữ phím trong khoảng 2s để xem các thơng số của tải đang hoạt động: điện thế, tần số, dịng diện.
Yêu cầu:
Lập bảng thống kê sau:
Tần số 0 20 30 40 50
Điện áp
Cho nhận xét về mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra, tốc độ động cơ với tần số được điều chỉnh.
2. Điều khiển G110 từ BOP
Thực hiện cài đặt các thơng số cho biến tần như sau: P0003=1 // Cấp độ truy cập các tham số P0010=1 P0100=0 P0304=220V P0305=2.00A P0307=0.75kw P0310=50Hz P0311=1390 P0700=1 P1000=1 chọn tần số setpoint từ MOP P1080=0 Hz
P1082=50 Hz P1120=10 P1121=10 P3900=1
: Khởi động motor ( ON) Motor chạy với tần số 5Hz. : Dừng Motor (OFF).
: Đảo chiều quay Motor.
: Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 ) tần số hoạt động motor tăng dần đến 5Hz.
- Vẫn giữ các thơng số về motor trên nhưng ta thay đổi thêm một số tham số: P0003=3
P0010=0
P1040=30 thay đổi tần số MOP. P1058 = 20 thay đổi tần số JOG. Thực hiện cài đặt lại 3 tham số:
P0700=1 P0719=0 P1000=1
: Khởi động motor ( ON) Motor chạy với tần số 30Hz. : Dừng Motor (OFF).
: Đảo chiều quay Motor.
: Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 ) tần số hoạt động motor tăng dần đến 20Hz.
- Nhấn giữ trong khoảng 2-3s, sau đĩ nhấn tiếp từng lần để xem các thơng số hoạt động của motor. Muốn trở về mode các tham số thì ấn giữ trong khoảng 2-3s.
Yêu cầu:
- Cho nhận xét về hoạt động của động cơ, khi ta thay đổi tần số MOP và JOP. - Cho biết ý nghĩa của 2 tham số MOP và JOP.
8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
1. Bộ biến tần dùng BJT và mạch kích dùng vi điều khiển 89C51. 2. Bộ biến tần Siemens G110.
3. 01 Osciloocope 4. 3 tải R_L
5. 01 VOM ( hoặc Ampere kiềm) 6. 01 motor 3 pha
8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT - 2001.
[2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT.
[3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002.
[4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001.
[5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003
[7]. http://w w w.voc w .edu . vn / content/m10373/latest/ [8]. Tài liệu kèm theo thiết bị biến tần Siemens G110.
Bài 9: Biến tần trực tiếp
BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP
Tham gia thực hiện: ThS. Trần Thanh Hùng - 2001
9.1. MỤC ĐÍCH
Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) tạo ra điện áp xoay chiều ở ngõ ra với trị hiệu dụng và tần số điều khiển được, trị hiệu dụng và tần số điện áp ngõ ra luơn nhỏ hơn hiệu dụng và tần số của điện áp nguồn. Bộ biến tần loại này được ứng dụng trong điều khiển truyền động động cơ điện xoay chiều.
Bài thí nghiệm này khảo sát biến tần trực tiếp với nguồn điện xoay chiều một pha bao gồm:
- Khảo sát mạch tạo xung điều khiển, thơng qua đĩ sinh viên nắm được phương pháp và kỹ thuật tạo xung kích cĩ thể thay đổi gĩc điều khiển.
- Khảo sát mạch cơng suất, thơng qua đĩ sinh viên hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của bộ biến tần trực tiếp, hoạt động của linh kiện cơng suất (trong bài này ta dùng SCR); xác định mối quan hệ giữa tần số và cơng suất, dạng sĩng điện áp ra, trên các loại tải khác nhau: tải thuần trở, tải R-L, tải R-L-C.
9.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT
Từ điện thế cung cấp xoay chiều hình sin với tần số 50Hz/60Hz, ta cĩ thể tạo được điện thế xoay chiều hình sin với tần số thay đổi được bằng cách “cắt từng đoạn” điện thế cung cấp ghép lại sao cho điện thế trung bình cĩ dạng hình sin. Biến tần hoạt động dựa vào nguyên tắc này được gọi là biến tần trực tiếp.
Dựa vào hình 9.1 ta cĩ thể thấy nếu điện thế cung cấp cho biến tần trực tiếp càng cĩ nhiều pha, thì điện thế ‘cắt được’ cĩ giá trị trung bình càng gần với sĩng sin mong muốn.
Để khảo sát, ta cĩ thể chia biến tần thành 2 bộ phận: mạch cơng suất và mạch điều khiển.
9.2.1. Mạch cơng suất:
Hình 9.2 trình bày sơ đồ chi tiết mạch cơng suất của một biến tần trực tiếp hai pha. Hai pha điện thế lệch pha nhau 1800 được tạo ra từ điện thế 1 pha bằng một biến thế cĩ điểm giữa. Hai SCR Q1 và Q2 hoạt động như 2 cơng tắc ”cắt” điện thế của 2 pha để tạo thành bán kì dương của điện thế hình sin mong muốn (cung cấp cho tải). Ngược lại, 2 SCR Q3 và Q4 sẽ tạo bán kì âm của điện thế mong muốn. Gĩc mở của các SCR phải thích hợp để điện thế tạo ra cĩ giá trị trung bình thay đổi theo qui luật hình sin (xem hình 9.1.b).
9.2.2. Mạch điều khiển (mạch tạo xung kích):
Để các SCR “cắt” điện thế cung cấp đúng vị trí, cần phải cĩ một mạch điều khiển để tạo nên các xung kích các SCR (các tín hiệu g1, g2, g3, và g4 trên hình 9.2).
Để điều khiển các SCR Q1 và Q2 cắt 2 pha điện thế tạo bán kì dương của điện áp ngõ ra, ta cĩ thể dùng mạch như trên hình 9.3. Đầu tiên một điện áp cùng pha với pha 1 được đổi thành xung vuơng đảo. Điện áp này được dùng để điều khiển một mạch tích phân để tạo thành một điện thế răng cưa cĩ cùng tần số với điện thế pha 1. Điện thế răng
Bài 9: Biến tần trực tiếp
Bài 9: Biến tần trực tiếp
cạnh xuống và 1 cạnh lên) được tạo ra từ một mạch dao động tạo sĩng sin cĩ tần số rất thấp gọi là tín hiệu điều khiển.
Điện thế cung cấp
Điện thế ‘cắt’ được
V Điện thế mong muốn
a) Nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp 1 pha
Điện thế pha1
Điện thế mong muốn V Điện thế pha2
Điện thế ‘cắt’ được
b) Nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp 2 pha
Hình 9.1. Nguyên tắc hoạt động của biến tần trực tiếp bằng cách ‘cắt từng đoạn’ điện thế cung cấp.
Ngõ ra của mạch so sánh thứ 1 được dùng để điều khiển Q1 trong khi ngõ ra của mạch so sánh thứ 2 dùng để điều khiển Q2. Kết quả là gĩc mở các SCR Q1 và Q2 sẽ