Nguyên lý chung của biến tần

CHƯƠNG 6: BỘ BIẾN TẦN
MỤC TIÊU THỰC HIỆN:
Sau khi học xong bài nầy sinh viên sẽđạt đượckiến
thứcsau:
- Hiểu được nguyên tắchoạt động củathiếtbị biến
tần
- Phân tích đượctương quan giữa dòng điện, điện
áp và ứng dụng củathiếtbị biếntần.
6.1. Các khái niệmcơ bản:
 Bộ biếntầnlàthiếtbị dùng để biến đổi nguồn
điệncótầnsố f
1
cốđịnh thành nguồn điệncó
tầnsố f
r
thay đổi đượcnhờ các khóa bán dẫn.
 Biếntần chia làm hai loại: Biếntầngiántiếpvà
biếntầntrựctiếp.
•Biếntầngiántiếp hay còn gọilàbiếntầncókhâu
trung gian mộtchiều, dùng bộ chỉnh lưubiến đổi
nguồnxoaychiều thành nguồnmộtchiều, sau đólại
dùng bộ nghịch lưubiến đổinguồnmộtchiềuthành
nguồnxoaychiều.
•Khâu trung gian mộtchiều đóng vai trò mộtkhâutích
luỹ năng lượng dướidạng nguồnápdùngtụđịên hoặc
nguồndòngdùngcuộncảmtạoramột khâu cách ly
nhất định giữaphụ tảivànguồn điệnáplưới.
Biếntầntrựctiếp khác vớibiếntầngiántiếp, Biến
tầntrựctiếptạorađiệnáptrêntảibằng các phầncủa
điệnáplưới, mỗilầnnốitải vào nguồnbằng một
phầntửđóng ngắtduynhất trong mộtkhoảng thời

gian nhất định,không thông qua một khâu năng lượng
trung gian nào.
Ưu và khuyếtcủabiếntầntrưctiếpvàgiántiếp
 Biếntầntrựctiếpcóthể trao đổinăng lượng vớilưới
điệnmột cách liên tục. Nhấtlàđốivớicácđộng cơ
công suấtlớnvàcựclớntừ hàng trămKwđến vài Mw.
 Ngoài ra tổn hao công suất ở biếntầntrựctiếpcũng ít
hơnvìphụ tảichỉ nốivớinguồnqua mộtphầntửđóng
cắt, không phải qua hai phầntử và qua khâu trung gian
nhưởbiếntầngiántiếp.
 Sơđồvan và qui luật điềukhiển ở biếntầntrựctiếpsẽ
phứctạphơnbiếntầngiántiếp. Vớikỹ thuật điệntử và
kỹ thuậtvi xử lý phát triểnhiệnnay thìvấn đề này hoàn
toàn thựchiện được.
6.2. Biếntầngiántiếp:
 Biếntầngiántiếp đượccấutạotừ bộ chỉnh lưu, khâu lọc
trung gian và bộ nghịch lưu.
 Tuỳ thuộc khâu trung gian mộtchiềulàmviệc ở chếđộ
nguồndònghay nguồnápbiếntầnchialàm3 loại chính:
 Biếntầnnguồn dòng.
 Biếntầnnguồnápvới nguồncóđiềukhiển.
 Biếntầnnguồnápkhôngđiềukhiển
6.2.1. Biếntầnnguồn dòng:
Biếntần nguồn dòng dùng chỉnh
lưucóđiều khiển cùng vớicuộn
cảmtạo nên nguồn dòng cung cấp
cho nghịch lưu nguồn dòng song
song.Hệ thống tụ chuyểnmạch
đượccáchlyvớitải qua hệ thống
diode cách ly .Dòng ra nghịch lưu

có dạng xung hình chữ nhật, điệnáp
ra có dạng tương đốiSin nếuphụ
tảilàđộng cơ.
 Ưu điểm củabiếntầnloạinàykhidùngvới
động cơ không đồng bộ có khả năng trả
nă
ng lượng về lưới.
Vớicôngsuấtnhỏ thì sơđồnày không phù
hợpvìhiệusuấtkémvàcồng kềnh nhưng
vớicôngsuấttrên100 Kwthìđây là một
phương án hiệuquả.
 Nhược điểm củasơđồnày là hệ số công
suấtthấpvàphụ thuộcvàop
hụ tải, nhấtlà
khi tảinhỏ.
6.2.2. Biếntầnnguồnápvớinguồncóđiềukhiển
• Biếntần nguồnápdùng nghịch lưunguồn
áp với đầuvàomộtchiều điều khiển được.
Điệnápmộtchiều cung cấp( dùng chỉnh lưu
có điều khiểnhoặcchỉnh lưu không điều
khiển) sau đó điềuchỉnh nhờ bộ biến đổi
xungápmộtchiều.
•Biếntần nguồnápcódạng điệnápra
xung chữ nhật, biên độ được điềuchỉnh nhờ
thay đổi điệnápmộtchiều.
 Hình dạng và giá trịđiệnáprakhông
phụ thuộcphụ tải, dòng điệntảixác
định. Điệnápracóđộ méo phi tuyến
lớn, có thể không phù hợpvớimộtsố
loạiphụ tải. Hệ số công suấtcủasơ

đồ không đổi, không phụ thuộcvào
tải. Tuy nhiên phải qua nhiềukhâu
biến đổivàhiệusuấtkém, do đóchỉ
phụ thuộcchotảinhỏ, dưới 30KW.
 Ngày nay biếntầnnguồnápđượcchế
tạochủ yếuvới điệnápbiến điệubề
rộng xung.
6.2.3. Biếntầnnguồnápbiến
điệubề rộng xung
 Dùng chỉnh lưu không điềukhiển ởđầuvào. Điện
áp và tầnsốởđầurasẽ hoàn toàn do phầnnghịch
lưuxácđịnh. Nghịch lưuthường sử dụng các van
điểukhiểnhoàntoànnhư GTO, IGBT, Transistor
công suất.
 IGBT hoặc Transistor công suất đượcsử dụng cho
biếntầncôngsuấttới 300 KW điệnáplưới đầu
vào đến 690V. Tầnsố sóng mang đến12Khz đối
vớicô
ngsuất55Khz, với công suấtlớnhơntầnsố
này bị giớihạndưới3 Khz.
 GTO đượcsử dụng cho các biếntần công suấttrên
300KW, điệnáplưới đến690V tầnsố sóng mang
1 Khz.
 Tầnsốđóng ngắtcaotrongbiến điệubề rộng xung
tạorađiệnápđầuragầnSin hoặcchỉ cầnnhững
mạch lọcLC đơngiảnlàcóthể tạo điệnáphình
Sin tuyệt đối.
 Hệ số công suấtcủasơđồgầnnhư bằng 1 (cỡ
0.98) và không phụ thuộcvàophụ tải. Tuy nhiên ở
thời điểm đóng điệnban đầu dòng nạpchotụ một

chiềucóthể có giá trị rấtlớn, cầnphải đượchạn
chế dòng khởi động nạptụ ban đầu.
6.3. Giớithiệuvề bộ biếntầntrựctiếp:
Biếntầntrựctiếplàthiếtbị biến đổitrựctiếpnguồnxoay
chiềucótầnsố f
1
sang nguồnxoaychiềucótầnsố f
r
.
Nguồn
Tần số
Biến đổi
ĐKĐ
Bộ biến
tần trực
tiếp
Nguồn
Tàn số cố đònh
Điều khiển điện áp/tần số
6.3.1. Nguyên lý hoạt động củabộ biếntầntrựctiếp
 Bộ biếntầntrựctiếpgồm hai nhóm chuyển
mạch nối song song ngược. Cho xung mở
lầnlượt hai nhóm chỉnh lưutrêntasẽ nhận
được dòng điện xoay chiềuchạy qua tải.
 Ở mỗi pha ởđầu ra (a, b, c) đượccấp điện
bởi hai nhóm Thyristor. Nhóm T tạora
dòng điệnchạythuận và nhóm N tạora
dòng chạyngược.
 Để hạnchế dòng ký sinh chạy qua hai Thyristor
của nhóm T và nhóm N đang dẫn, ngườitadùng

các cuộn kháng ĐK1 và ĐK6.
Ñ
KÑ
f1
V1
~
ab
c
fr Vr Bieán ñoåi
T1
N4
T3
N6
T5 N2
ÑK1
ÑK4
ÑK3
ÑK6
ÑK5
ÑK2
6.3.1. Nguyên lý hoạt động củabộ biếntầntrựctiếp
 Khi điềukhiểntheonhómthìmỗi nhóm đượcmở trong
nửachukỳđiệnápđầu ra. Xét sự làm việc pha a Trong
khoảng thời gian t1: nhóm T1 mở, còn trong khoảng t2
thì nhóm N4 mở. Các Thyristor trong cùng một nhóm
chuyểnmạch cho nhau nhờđiệnáplưới (chuyểnmạch
tự nhiên). Mỗi Thyristor mở 1/3 chu kỳ của điệnáp
lưới. Thay đổisố Thyristor mở trong mỗi nhóm ta sẽ
thay đổi đượcthờigiancủachukỳđiệnápđầuraT2=
t1 + t2 do đóthayđổi đượctầnsốđầuracủabiếntần.

V
a(V)
T
1
T
2
T
r
t(s)
V
a(V)
a
b
Từđồthị ta tìm đượcmối quan hệ giữatầnsố lướivàtần
số ra:
Trong đó:
m: số pha đầuvàocủabộ biếntần(m=3).
n: sốđỉnh hình sin (tứcsố Thyristor mởởmỗi nhóm)
trong mộtnửachukỳ của điệnápra.
Tầnsốđầuraluônlônnhỏ hơntầnsố lướivìn làsố
nguyên nên tầnsố ra được điềuchỉnh nhảycấp. Điệnáp
ra Vr đượcthayđổibằng cách thay đổigócchậmcủacác
Thyristor
22
2
1
1
−+
==
mn

m
T
T
f
f
r
• Để tạorađiện áp ba pha ởđầuratađiềukhiển các nhóm Thyristor mở
theo thứ tự T1-N2-T3-N4-T5-N6-T1 mỗi nhóm cho mở 1/3 chu kỳ
của điệnápra. Nếu điệnáprađượclọcphẳng hoàn toàn thì bằng cách
điềukhiểnnhư trên ta được đồ thịđiệnápraở ba pha (hệ thống điện
áp ba pha ởđầurabộ biếntầntrựctiếp)
Nhậnxét:
•Hiệusuấtcaovìtổnthấtnăng lượng không đáng kể, không cầndùng
tụ chuyểnmạch.
•Chỉ cho tầnsố fr <f1 tức< 0.
•Làmviệc ở chếđộtĩnh nên thuậntiện đốivớinhững cơ cấucầndi
chuyển nhiều
T1 T1
N4
N2
N2
N6
N6
T5
T3
2π/3
wt(rad)
wt(rad)
wt(rad)
V

A
(v)
V
b
V
c
6.4. Bộ biếntầngiántiếp:
Bộ biếntầngiántiếplàbộ biến đổi nguồn điện xoay chiều
có V
1
, f
1
là hằng số thành nguồn điệnxoaychiềucóV
r
, f
r
biến
đổi, qua khâu trung gian mộtchiều. Tầnsốđầurađượcxácđịnh
bởinhịp đóng mở của các thiếtbị nghịch lưu.
Thiếtbị biếntầngiántiếpgồm ba khâu cơ bản.
Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang mộtchiều.
Bộ lọc: để giảmbớt độ nhấp nhơ củấpvàdòngởđầura
củabộ chỉnh lưu.
Khâu nghịch lưu: biến đổi điệnápmộtchiều để đặtvàođộng
cơ (Thiếtbị nghịch lưucóthể là Thyristor hoặc transistor cơng suất)
VdF1

HSỐ
CHỈNH
LƯU

LỌC
NGHỊCH
LƯU
ĐIỀU KHIỂN
+
-
-
+
ĐKĐ
nguồn
biến đổi
fr,vr
6.4.1. Biếntần áp dùng Thyristor
Nhóm chỉnh lưugồm 6 Thyristor T7 đến T12 vừalàmchứcnăng biến
đổidạng điệnáptừ xoay chiềuthànhmộtchiềuvừa có nhiệmvụđiềuchỉnh
giá trịđiệnápV
0
. Bộ lọcphẳng gồm các cuộnkháng ĐK và tụ C
0
. Phầnchỉnh
lưucủa nhóm nghịch lưu là các Thyristor T1-T6. Chúng đượcmở theo thứ tự
T1-T2 T6. Cách nhau 1/6 chu kỳ áp ra. Như vậytạimọithời điểmcóhai
Thyristor mở, mộtnốivớicựcdương và mộtnốivớicựcâmcủa điệnápV
0
.
Kếtquảđiệnápdâyđầurađưavàođộng cơ có dạng như sau
ÑKÑ
T1
T3
T5

T4
T6
T2
C1
C5
C3
C4 C6
C2
+
+
+
+
+
+
-
-
-

-
T8
T7
T10
T12
T11
~
T9
Vuf1
V0
a
b

c
D3
D5
D1
D6D4
D2
ÑK2
ÑK1
D7
D11
D10
D8D12
D9
C0
ÑK
Điệnápđầurabộ biếntầngiántiếp
Bằng cách thay đổikhoảng thờigianmở Thyristor ta thay
đổi đượcthờigianchukỳ của điện áp ra, nghĩalàđiều
chỉnh đượctầnsố ra.
2π
wt (rad)
V
ab
[V]
Tụ C1-C6 để chuyểnmạch giữa các Thyristor Giả sử trong
mộtkhoảng nào đó T1 và T2 mở, tụ C1 đượcnạptừ nguồnvớicực
tính như hình vẽ. Khi cho xung mở T3 tụ C1 phóng qua T1 và T3 tạo
ra dòng điện khóa T1 hỗ trợ cho T3 mở.
Các diode D1-D6 ngăntácdụng của các tụ chuyểnmạch
vớiphụ tải, làm cho áp trên tải không bịảnh hưởng bởisự phóng nạp

củatụ.
Các diode D7-D12 tạomộtcầungược, có tác dụng mởđường
cho dòng điệnphản kháng từ phía động cơ chạyvề tụ C0. Dòng điện
này xuấthiện do sự lệch pha giữa dòng và áp động cơ. Vậytụ C0 có
nhiệmvụ chứanăng lượng phản kháng vì động cơ là mộttải đơngiản
đốivớibộ nghịch lưumàcótácđộng một cách khác nhau vớitừng
điều hòa củadạng sóng điệnáp.
Đốivớibộ nghịch lưuápdạng sóng này gầnnhư chữ nhật.
Để giữđượcquanhệđiệnáp/tầnsố=const, ta có thể áp dụng
phương pháp điềuchế bề rộng xung.
Để cho điệnápracódạng gầnvới hình sin hơnngườitatìm
cách phốihợp các xung điều khiểnbộ nghịch lưu. Điềunàyđượcthực
hiệnbằng cách tạoramột sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó
vớimộtdải xung tam giác. Giao điểmgiữa hai sóng đóxácđịnh các
thời điểmmồi các Thyristor.
Khi muốngiảmbiênđộ sóng cơ bản đimộtnửa thì sóng chuẩn
hình sin cũng phảigiảm đimộtnửa. Khi giảmtầnsố sóng chuẩnhình
sin thì số xung ở mỗi chu kỳ sẽ tăng lên.