BIẾN TẦN TRONG CÁC CƠ CẤU NÂNG HẠ
2.1. Nguyên lý làm việc của biến tần ba pha
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc của biến tần ba pha nguồn áp
Sơ đồ nguyên lý của biến tần nguồn áp ba pha cho trên hình 2.1.
a)
b)
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của biến tần ba pha nguồn áp a) Biến tần ba pha với chỉnh lưu không điều khiển
b) Biến tần ba pha với chỉnh lưu có điều khiển (chỉnh lưu tích cực) Nguồn
vào
Mạch CL
Điện áp
một chiều Mạch
NL Motor
Nguồn vào
Mạch CL
Điện áp một chiều
Mạch
NL Motor
- 30 -
Bộ biến tần (BBT) là bộ biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp sang nguồn có tần số thay đổi để cung cấp cho tải (thường là động cơ xoay chiều). Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc có điều khiển. Sau đó được lọc và đưa vào bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi được cung cấp cho tải.
Tuỳ thuộc vào bộ chỉnh lưu , bộ biến tần được chia làm hai loại:
- BT với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng điốt (hình 2.1a). Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển có trị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có dung lượng lớn. Điều áp và tần số ở đầu ra được điều chỉnh nhờ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM). Các mạch nghịch lưu bằng Tranzitor (BJT, MOSFET, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp đầu ra gần sin nhất. Dạng sóng điện áp, dòng điện đầu vào và điện áp, dòng điện đầu ra của chỉnh lưu không điều khiển được mô tả trong hình sau.
- 31 -
- Bộ BT nghịch lưu nguồn áp sử dụng bộ CL có điều khiển thông thường dùng Tiristor hoặc Tranzitor (hình 2.1b). Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu có thể điều khiển được tạo ra những giá trị điện áp khác nhau tùy theo góc mở. Bộ NL lúc này chỉ có chức năng điều khiển tần số.
2.1.2. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
Phương pháp điều chế độ rộng xung cho phép định hình cả biên độ và tần số điện áp ra của biến tần. Đầu vào của khâu nghịch lưu được cấp bằng áp một chiều không đổi Ud. Điện áp Ud lấy từ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Để có được áp đầu ra ba pha đối xứng thì áp điều khiển phải là hình sin, ba pha đối xứng, lệch nhau 1200 và được so sánh với cùng một điện áp răng cưa Ux.
Để điều chế được hệ thống điện áp hình sin xoay chiều ba pha, bộ biến tần điều chế từng pha theo phương thức nối một pha với cực dương hoặc cực âm của điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Điện áp ở đầu ra nghịch lưu ứng với mỗi pha có thể có hai trạng thái: trạng thái nối với cực dương nguồn DC sau chỉnh lưu hoặc trạng thái nối với cực âm nguồn DC theo hình 2.2.
Hình 2.2. Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu
Biến tần điều chế độ rộng xung được sử dụng để tạo ra áp đầu ra có dạng sin với tần số đặt trước. Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được so sánh với các xung tam giác. Tần số chuyển mạch của khâu nghịch lưu (fcm) bằng tấn số của xung tam giác (fx) có giá trị không đổi, nhiều khi người ta còn gọi tần số
- 32 -
xung tam giác là tần số mang. Còn tần số sin chuẩn còn được gọi là tần số điều biến.
Nó sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra của biến tần. Nguyên lý làm việc của mạch điều chế độ rộng xung được minh hoạ ở hình 2.3.
Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của bộ điều chế động rộng xung
2.1.3. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế vector không gian
Phương pháp điều khiển biến tần theo phương pháp điều chế vector không gian (tài liệu [3]) chủ yếu sử dụng loại van Tranzitor IGBT. Trên hình 2.4 minh hoạ vị trí tương đối trên không gian vector, giữa hệ toạ độ α,β và ba cuộn dây pha ABC. Mức logic của ba cực của các cuộn dây pha quy ước như sau:
0 – nếu cực của cuộn dây nối với thế âm.
1 – nếu cực của cuộn dây nối với thế dương.
- 33 -
Hình 2.4. Vị trí tương đối giữa các vectơ điện áp trên hệ tọa độ không gian α,β và ba cuộn dây pha ABC
Bằng ba nhánh van ta có thể tạo ra 8 trạng thái logic ứng với 8 vector điện áp chuẩn U0, U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7. Trong đó, 2 vector U0 (cả ba cuộn dây đấu với cực âm) và U7 (cả ba cuộn dây đấu với cực dương) là các vector có modul bằng 0. Vector chuẩn chia không gian vector thành các góc phần 6 ký hiệu từ S1 đến S6 và các góc phần tư từ Q1 đến Q4.
Trạng thái logic của các nhánh van được cho trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Trạng thái logic của các nhánh van Ux
Pha
0 1 2 3 4 5 6 7
Pha A 0 1 1 0 0 0 1 1
Pha B 0 0 1 1 1 0 0 1
Pha C 0 0 0 0 1 1 1 1
Pha A
Pha C Pha B
U1
U2
U4
U5
U0-7
U6 U3
S1
S2
S3
S4
S5
S6
Q4
Q1
Q2
Q3
- 34 -
Trước hết chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp tạo ra một vector điện áp bất kỳ từ tám vector chuẩn. Giả sử vector cần thực hiện là Us nằm ở góc phần sáu thứ nhất S1, khoảng giữa hai vector chuẩn U1, U2 hình 2.5.
Hình 2.5. Thực hiện vectơ US bất kỳ bằng hai vectơ điện áp chuẩn
Điện áp Us là tổng của hai vector biên phải Up và biên trái Ut có hướng trùng với hướng của hai vector chuẩn U1, U2. Giả thiết khoảng thời gian tối đa để thực hiện vector Us là Tx*. Đó là khoảng thời gian cần thiết để thực hiện vector điện áp có modul tối đa 2Ud/3.
3 / 2 .... 6
2
max 1 d
s U U U U
U = = = = = (2.1)
Rõ ràng rằng Us là tổng của Up + Ut, còn Up và Ut được xác định bởi trạng thái logic của U1 và U2 trong khoảng thời gian:
max
* s
p x
p U
T U
T = (2.2)
max
* s
t x
t U
T U
T = (2.3)
Các trạng thái logic của U1 và U2 đã cho ở bảng 2.1 do đó chúng ta chỉ cần phải xác định giá trị thời gian Tp và Tt (Thời gian đóng cắt các nhánh van). Việc thực hiện Us được thực hiện như sau:
Thực hiện U1 và U2 trong khoảng thời gian Tp, Tt. Để xác định được Tp, Tt ta phải tính được mođul Up, Ut. Điều kiện cần để tính Up, Ut là vector Us phải cho
Up
Ut
US
U2
U1
- 35 -
trước (mođul và góc pha) hình 2.5. Điều này luôn thoả mãn vì Us là kết quả tính toán của các thuật toán điều chỉnh.
Do Us đã được thực hiện trọn vẹn trong khoảng thời gian Tp+Tt nên trong khoảng thời gian còn lại (Tx*−(Tp +Tt)) ta thực hiện một trong hai vector có mođul bằng không U0 hoặc U7. Tổng quát ta thực hiện phương trình sau:
U0
U U
Us = p + t+ (hoặc U7)
* 0
*
* 1
* 1
)
( U
T T T U T
T U T T T
x t p x x
t x
p − +
+
+ (hoặc U7)
Trình tự thực hiện hai vector biên và vector không như sau:
Trình tự có lợi nhất sẽ là trình tự buộc các nhánh van ít phải chuyển mạch nhất. Đó là trình tự đòi hỏi mỗi nhánh chỉ phải chuyển mạch một lần trong cả khoảng Tx*.
Nếu trạng thái cuối cùng của chu kỳ ứng với U0 thì trình tự là:
7 2 1
0 U U U
U → → →
Nếu trạng thái cuối cùng của chu kỳ ứng với U7 thì trình tự là:
0 1 2
7 U U U
U → → →
Với trình tự như trên tổn hao công suất do đóng cắt của nghịch lưu sẽ là nhỏ nhất. Trạng thái đóng cắt của hai chu kỳ kế tiếp nhau cho trên hình 2.6. Từ đó cho thấy mẫu xung điều khiển quen thuộc như phương pháp điều chế độ rộng xung.
Hình 2.6. Xung điều khiển van transisor theo nguyên lý điều chế vectơ không gian
- 36 -
Trên đây chúng ta đã nghiên cứu phương pháp điều chế vector điện áp có vị trí tuỳ ý trong phạm vi góc S1. Với các vector còn lại S2 đến S5 ta cũng thực hiện tương tự bằng cách tách vector cần điều chế thành hai vector biên phải và trái có hướng trùng với hướng của hai vector chuẩn ở biên của góc phần sáu tương ứng.
Xuất phát từ thực tế là cứ sau mỗi chu kỳ trích mẫu T khâu điều chỉnh lại cung cấp cho khâu điều chế vector không gian giá trị mới của vector Us. Mặt khác mỗi chu kỳ xung Tx thực hiện hai vector điện áp. Điều đó cho thấy quan hệ chặt chẽ giữa tần số điều chế fx = 1/Tx và tần số trích mẫu fT = 1/T.
Trong thực tế do khả năng tính toán của vi xử lý bị hạn chế dẫn đến T phải đủ lớn. Mặt khác nếu ta tăng tần số fx để cho dòng stato của động cơ đỡ nhấp nhô sẽ dẫn đến việc giảm Tx. Điều đó đưa đến nguyên tắc là mỗi vector Us mà khâu điều chỉnh dòng tính được sẽ được điều chế trong một hoặc nhiều chu kỳ trích mẫu Tx. Tức là chu kỳ trích mẫu T sẽ lớn hơn chu kỳ Tx một số nguyên lần (thường là từ 1 đến 4 lần). Trong thực tế fx thường nằm trong khoảng 2.5 ÷20KHz.
Vậy phương pháp điều chế vector không gian tiến hành điều khiển quá trình đóng cắt van của nghịch lưu (trạng thái logic, mẫu xung điều khiển ) mà phần duy trì trạng thái đó trong một khoảng thời gian (Tp, Tt).
Để tính khoảng thời gian đó có nhiều phương pháp khác nhau, chủ yếu dựa trên thuật toán và cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển. Sau đây sẽ giới thiệu một trong những phương pháp đó.
Vector Us được cho trước (từ khâu điều chỉnh) dưới dạng hai thành phần của nó Usα và Usβ ở hình 2.7 trên hệ toạ độ αβ .
- 37 -
Hình 2.7. Vectơ Us trong hệ tọa độ αβ
Khi đó, tuỳ theo góc phần sáu/phần tư cụ thể mà áp dụng các công thức tính toán sau để tính các giá trị Up, Ut.
* Ở góc phần sáu S1/ góc phần tư Q1:
β
β α
s t
s s
p
U U
U U
U
3 2
3 1
=
−
=
* Ở góc phần sáu S2 - Góc phần tư Q1:
β α
β α
s s
t
s s
p
U U
U
U U
U
3 1 3 1
+
−
=
+
=
- Góc phần tư Q2:
Usβ
Us
Usα
jβ
α
1200 1200
- 38 -
β α
β α
s s
t
s s
p
U U
U
U U
U
3 1
3 1
+
=
+
−
=
* Ở góc phần sáu S3 - Góc phần tư Q2:
β α
β
s s
t
s p
U U
U
U U
3 1 3 2
−
=
=
* Ở góc phần sáu S4 - Góc phần tư Q3:
β
β α
s t
s s
p
U U
U U
U
3 2
3 1
=
−
=
* Ở góc phần sáu S5
- Góc phần tư Q3:
β α
β α
s s
t
s s
p
U U
U
U U
U
3 1 3 1
+
−
=
+
=
- Góc phần tư Q4:
β α
β α
s s
t
s s
p
U U
U
U U
U
3 1
3 1
+
=
+
−
=
* Ở góc phần sáu S6 - Góc phần tư Q4:
β α
β
s s
t
s p
U U
U
U U
3 1 3 2
−
=
=
- 39 -
Khi có các giá trị Up và Ut áp dụng các công thức đã nêu ở trên ta tính được thời gian Tp và Tt.
;
;
max
max s
t x t s
p x
p U
T U U T
T U
T = =
Nhận xét:
Các công thức tính Up và Ut ở trên có thể đưa về ba công thức tổng quát sau:
Công thức a:
β
α s
s U
U
a 3
+ 1
= Công thức b:
β
α s
s U
U b
3
− 1
= Công thức c:
β
Us
c 3
= 2
Để lựa chọn đúng công thức cần tính ta phải biết vị trí của Us bằng cách xét dấu của Usα và Usβ để tìm góc phần tư của Us. Biểu thức b sẽ đổi dấu khi Us đi qua biên giới giữa hai góc phần sáu. Xét dấu của b để xác định xem Us nằm ở góc phần sáu nào.
Với thuật toán điều chế vectơ không gian cho phép ta tạo ra điện áp cung cấp cho động cơ không đồng bộ một cách linh hoạt cả về biên độ, tần số cũng như góc pha, người sử dụng có thể sử dụng bất kỳ thuật toán điều khiển nào từ thuật toán đơn giản đến những thuật toán phức tạp (tùy theo mong muốn về chất lượng điều khiển) để điều khiển cho động cơ.
- 40 -