Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Chu'O'ng 3 PHÂN TÍCH LựA CHỌN PHƢƠNG ÁN BÔ
BIỂN TẨN
3.ỉ. Phân tích lựa chọn bộ biến tần cho động cơ
•

•

•

ế

o

Biến tần là các bộ biến đồi dùng đế biến đồi nguồn điện áp xoay chiều có tần số,số pha,
thứ tự và điện áp không đồi thành nguồn điện xoay chiều có các thông thay đổi được. Thông
thường biến tần làm việc với nguồn đầu vào lấy từ lƣới điện, nhưng vê nguyên tắc,
có thể làm việc với
Biến
•

biến

tần

bất kì nguồn điện xoay chiều nào.

tần đƣợc phân loại nhƣ sau:
Biến tầu trực tiếo: Bộ biến đổi trực tiến từ tần số,điện áp lưới sang điện áp tải

•

Biến tần gián tiếp: Bộ

lưới thành

điện áp

biến đồi từđiện

áp

một

chiều(chinh lƣu), sau đó lại biến từ điện áp một chiều thành

xoaychiều

(nghịch lƣu).
Biến tần gián tiếp đƣợc chia thành 3 loại chính:
1 Biến tần dùng nghịch lƣu độc lập nguồn dòng điện.
I Biến tần dùng chinh lưu điều khiển đầu vào và nghịch lưu nguồn áp.
I Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào và nghịch lưu làm việc điều chế
(SPWM).
3.1.1. Biến tần trực tiếp
Tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của điện áp lƣới, mỗi lần nối tài vào nguồn bằng
một phần từ đóng cắt, không qua một kho năng lƣợng trung gian nào. Biến tần trực tiếp có
khá năng trao đối năng lƣợng với lƣới theo cả hai chiều. Đây là đặc tính tru việt nhất cùa biến
tần trực tiếp so với biến tần gián tiếp, nhất là đối với các hệ điện cơ cồng suất lớn, từ hàng
trăn KW đến vài MW. Ngoài ra tồn hao công suất trong biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ

tải chỉ nối với nguồn qua phần từ đóng cắt, không thông qua khâu trung gian nào.
Tuy nhiên số lƣợng van ở biến tần trực tiếp lớn hơn và hệ thống điều khiển cũng phức
tạp hơn nhiều, tần số điện áp ra bị giới hạn trên ở một phần hai tần số lƣới. Ngoài ra biến tần
trực tiếp thừa hƣởng những nhƣợc điểm của các sơ đồ chinh lƣu là dòng đầu vào


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

không sin, hệ số công suất thấp. Khi phụ tái có công suất rất lớn từ 1000 đến 30000
KW sử dụng biên tân là phù hợp vì khi đó số lƣợng van sừ dụng và độ phức tạp của hệ thống
điều khiển không còn là trờ ngại, vì vấn đề chính là khả năng điều chỉnh công suất và hiệu
suất của bộ biến đồi.
Do đó trong phạm vi đồ án này với tái có công suất trung bình nhƣ vậy ta sẽ không
chọn biến tằn loại trực tiếp này.
3.1.2. Biến tần gián tiếp
Hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lƣu để biến
nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện một chiều, tích trữ trong các kho từ (đùng cuộn
cảm), hoặc trong các kho điện (dùng tụ điện) sau đó lại dùng bộ nghịch lƣu để biến
_

___ ---2-, - _________ „Ị, .là,, T-H-

— r~: -

£ Ị -1.: 2,-

__ „ÍỊ Ị.Ị.S,, 4P _

ĩìguưn mụĩ oiìĩcu ĩiiâitii nglìũĩỉ xoay Ciììcu. iviiaiì II ưng gìãii ĩiĩỌĩ Ciiícu ĩậO rã Iiiụĩ Kiiãũ uỌc
lập nhất định, biến đồi chậm, tách phần phụ tải ra khòi lƣới điện.

Sơ đồ khối I

ID
17?.. F?

3

Hình 3.1: Sơ đô khôi biên tân gián tiêp
Nhƣ vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi
là biến tần gián tiếp. Chức năng cùa các khối nhƣ sau:
Khối chỉnh lƣu:
Chức năng cùa khâu chỉnh lƣu là biến đối điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều. Chỉnh lƣu có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển. Ngày nay đa số chỉnh lƣu là
không điều khiển, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thƣớc
của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số
đƣợc thực hiện bởi nghịch lƣu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đồi công suất
lớn, ngƣời ta thƣờng dùng chỉnh luu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho
toàn hệ thống khi quá tải. Tùy theo bộ nghịch lƣu yêu cầu nguồn
dòng hay nguôn áp mà bộ chỉnh lƣu sẽ tạo ra nguồn dòng điện hay nguồn điện áp tƣơng
ứng phù hợp.
30


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Khối lọc:
Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp (đối với nguồn áp) hoặc dòng điện (đối với
nguồn dòng) sau chỉnh ỉƣu.
Khối nghịch ỉƣu:
I Nghịch lƣu nguồn áp: dạng điện áp ra tải đƣợc định dạng trƣớc (thƣờng có dạng

xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp
cho nghịch lƣu phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng điều kiến
động cơ, thƣờng sử dụng nghịch lƣu nguồn áp.
1 Nghịch lƣu nguồn dòng điện: dạng dòng điện ra tải đƣợc định hình trƣớc, còn dạng
điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp cho nghịch lƣu này phải là nguồn dòng đề
đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện
cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ôn định
dòng điện.
- Nghịch lƣu cộng hƣởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hƣờng khi mạch hoạt động,
do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thƣờng có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra
tải phụ thuộc vào tính chất tải.
a. Biến tần gián tiếp nguồn dòng
Trong trƣờng hợp này này, nguồn cung cấp là nguồn dòng tức là dòng một chiều
vào bộ nghịch lƣu không phụ thuộc vào tồng trở tải. Điều này dẫn đến dạng sóng của
dòng điện các pha sau bộ nghịch lƣu có dạng chữ nhật nếu bỏ qua giai đoạn chuyển
mạch, điện áp ra có dạng sin nhƣng mang các đỉnh nhọn ở thời điểm chuyên mạch. Biên
tần loại này sử dụng cuộn dây, cuộn dây ngăn các biến thiên đột ngột của dòng điện nên
truyền động này rất thích hợp đối với những nơi cần tránh biến thiên đột ngột của mômen tiên trục động cơ. Hơn nữa, ở bộ nghịch lƣu nguồn dòng khi ngấn mạch đầu cực
động cơ không gây hƣ hỏng nghịch lƣu vì dòng điện luôn có xu hƣớng giữ không đổi.
Một điểm quan trọng là ở biến tần nguồn dòng ta có thể thực hiện hãm tái sinh
động cơ chỉ với mạch lực đơn giản. Bộ biến tần nguồn dòng làm tăng đƣợc công suất đơn
vị động cơ nên thích hợp cho truyền động có đảo chiều, công suất động cơ truyền động
lớn.

31


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Nhƣợc điểm của biến tần nguồn dòng là hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải.

Với công suất nhỏ sơ đồ này kém hiệu quả vi kích thƣớc cồng kềnh nliƣng với công suất
lớn hơn 100 KW thì biến tần nguồn dòng có thể là một giải pháp thích hợp. Nhƣ vậy ta
címg sẽ không chọn phƣơng án sừ dụng biến tần nguồn dòng do phụ tải động cơ thang
máy có công suất thuộc loại trung bình.
b. Biển tần gián tiếp nguồn áp
Đặc điểm của loại biến tần này là nguồn cấp cho BBĐ là nguồn sức điện động với
nội trờ nhỏ. Hiện nay với phƣơng pháp (biến điệu độ rộng xung) áp dụng cho các bộ
nghịch lƣu điện áp, cho phép các dạng sóng gần sin hơn và vì vậy nâng cao đƣợc chất
lƣợng điều chỉnh. Những đặc điểm đó đƣa đến khả năng ứng dụng bộ biến tần nguôn áp
trong truyền động yêu cầu cao về độ chính xác điều chỉnh, chiếm ƣu thế trong truyên
động công suất nhỏ và truyền động nhiều động cơ hoạt động chính xác và đông bộ.
Từ những phân tích cơ bản về biến tần nguồn dòng và biên tân nguôn áp ờ trên,
kết hợp

VỚI

yêu cầu cụ thể của phụ tải trong đồ án này, em quyết định chọn biên tân

nguồn áp đề điều khiển tải động cơ. Sau đây sẽ đi phân tích cụ thê hơn các phƣơng án của
biến tần nguồn áp.
3.2. Phân tích lựa chọn sơ đồ bộ biến tần gián tiếp nguồn áp
3.2.1. Biến tần gián tiếp nguồn áp vói nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh
Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lƣu nguồn áp với đầu vào một chiêu điêu
khiển đƣợc. Điện áp phía một chiều có thể điều chỉnh đƣợc nhờ chinh lƣu thyristo.
Sơ đồ nguyên lý:

r

\■

*

I■

V

X

#

Hình 3.2. Biên tân nguôn áp với phân 1 chiêu dùng chinh lƣu thyristo


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Ta khảo sát bộ chỉnh lƣu với chế độ làm việc nặng nề nhất của tải là tải có
L=oo Chế độ làm việc của chinh lira:
X”

4v

3 Vó
Tacó: ưd

= ư7 cos a (3.1)
n

Ü

có liai

m

~NT

chế độ làm việc: 0


¡C
1

0<ưd/2<ưJmax

>w.

/

1

/9

Sơ đồ công nghệ theo chế độ
chinh liht

^
u« 1
(3.2)
1

---------------------

7112
I mĩ /3

Công
biến chế
áp độ nghịch
Sơ đồsuất
làm máy
việc theo
T max

max '

J

Hình 3.3.Đồ thị dòng điện, điện áp sau chinh lƣu (3.3)

lƣu ứng với hai chức năng là:

- Khi biên độ điện áp lƣới ổn định tức là Ƣ2 = const, thay đồi góc ữ sẽ thay đồi đƣợc Ƣd
Hệ sô đập mạch của sơ đô
(chức năng điều chỉnh công suất).
^ba max~ ftI ỄÌ^ửiTiax
0\

-

Klii lƣới điện không ồn địnli Ƣ2 = var, thay đồi góc (X để giữ cho ƣd = const (chức
năng ồn áp một chiều).

(3.4)

C0S


Dòng điện trung binh qua thyristor

0)=5,7%

33

—


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

nên khi ữ tăng thì kdm tăng. Do đồ thị Ƣd và ia là đối xímg nên các sóng hài bậc cao chi
chứa hàm sin.
Để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha có cùng biên độ nlumg lệch pha nhau một góc
120°, các van đƣợc điều khiển theo thứ tự nhƣ đƣợc ký hiệu trên sơ đồ, mỗi van sẽ vào
dẫn cách nhau 60°. Khoảng điều klũển dẫn của À mỗi van có thể trong khoảng từ 120°
đến 180° Đe thuận tiện cho việc xây dựng hệ thống điều khiển thƣờng chọn các giá trị
120°, 150° hoặc 180°. Trên hình 3.5 các van đƣợc điều khiển dẫn, ví dụ là 180°.
Theo dõi khoảng dẫn của các van có thể thấy đƣợc nguyên tắc tạo thành hệ thông
điện áp 3 pha trên tài.

ít Zc ĩm

ZA

ZA

ì

I
ZB

í

Hình

H
2Ỉ3Ĩ.

(a) 0
ZB

2/3E
_ị

Z.z

K
mì

T

Zc ỊgE
__ị

T
1

1
i

I

I
(b) 60° < 0<12O5

(c) 120c < 9<180c

3.4. Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van

0° <ỡ< 60° các lứióm (VI, Dl); (V5, D5); (V6, D6) dần. Sơ đồ tƣơng đƣơng của mạch tải
nhƣ trên hình (2.4 a). Do ZA song song với Zc và
tiếp với ZB và các trở

nối
"A=UC=ịE’UB=~ZE

kháng đều bằng nhau nên ta có:
Tƣơng tự Ìihƣ vậy, theo hình (2.4 b), ta có:
60° < ớ < 120° (VI, Dl), (V2, D2), (V6, D6) dẫn. U A =-E;uB=uc Theo hìnli

có:
120° <ổ<180° (VI, Dl), (V2, D2), (V3, D3) đẫn. U A =uc = -E;u„ =-p£

m
3

(2.4 c) ta


Chư
ơng
3.
Phâ
n
.ích
lựa
chọ
n
phư
ơng
ánb
g
biến
tần

I

t

f

•

V

■

*

ĩ

I

•

•

«
•

•
• ____ • _____ I ____ •
Ị ỵi ứ i ị

BZJ r

1 M nrr

a,

I vị I>Ê ~~ Î •
•
ị ị•
vi T>± ề
i

Î

::

• •
i
0

•

■■■■■■■

*

Î

b Dạng tín hiệu điều khiển các van và dạng dòng điện, điện áp
Từ đó ta thấy

rằnơ

điện áp trên các pha cũng có dạng bậc thang nhƣ biểu diễn trên

hình 3.5. Trên hình 3.5 cũng biểu diễn dạng dòng tải, dòng qua các van và dòng qua các

điôt Với giả thiết ọ =7 t/ 6 ta xác định thời gian dẫn cùa các van điều khiển và điot, từ đó
vẽ đồ thị id. Lira ý rằng dòng đầu vào lặp lại cứ sau mỗi 60°, trong khoảng
60° < 6 < 120° dòng qua VI chính là dòng ỉ,/, với già thiết dòng điện tải các pha thay đối
theo luật hình sin, từ đó vẽ đƣợc dạng dòng id nhƣ trên đồ thị hình. Góc lệch pha giữa điện


Chương 3. Phân .ích lựa chọn phương ánbg biếntần

áp và dòng điện của sóng cơ bản trên tải bằng góc (p khi dòng qua 0 nhƣ trên hình



Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

vẽ, suy ra rằng nếu (p < 60° thì dòng đầu vào không có phần âm, nghĩa là không có dòng
đi về tụ c đầu vào. Vậy khi hệ số góc của tải cosợ? > cos60° = 2 ^ năng lƣợng phản
kháng cùa tải chi trao đôi giữa các pha với nhau mà không trao đôi VƠI nguon.

Dựa vào đồ thị ta tính toán đƣợc giá trị hiệu dụng của điện áp pha trên tải nhƣ sau:
ar/3 Ỵ j2

2x/ĩ o r /2

\

T

ị M)dỡ+ ị (^)de+ Ị Fị)de
.0

/r/3

2/r/3

(3.5)

72

=uề.
Nhir vâv «p tpr» ra (Ịirnrr (tỉểii áp nlin rÁ ríinơ híín (50 c 11112 tân sô 2ỎC ĩìlìtnis
lệch pha nhau 120° đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
ai = —u..sin cot
3 ÍỊlllgỊ
2
.
^U
.sin(ữt-=J-)
d
HE
u

2zr

(3.6)

2 rr .■ ÌfjL
^.t/</.sin(ứ>í + -y)

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy lằng đê thay đôi giá trị điện áp ra u J ,ubị ,ucỉ ta
cần phải thay đồi giá trị cùa điện áp một chiều đầu vào bộ nghịch lƣu , đế thay đối tần số

của điện áp ra uaỊ,ub]ịilcl ta phải thay đồi tần số đóng cất của các van dẫn.
Tính toán các thông số chọn van Công suất của động cơ
p = 3.U2.I,.COS
(3.7)

Giá trị hiệu dụng dòng điện pha
p
(3.8)

3.Ƣ2.cos(p
Dòng tiêu thụ trung bình của nghịch lƣu
T 376,

Id=—— .I2.cos71

(3.9)

36


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Dòng tiêu thụ trung binh cực đại của nghịch lƣu

n
Dòng điện và điện áp trung bình qua van dẫn trong khối nghịch lƣu
T

Ị __ dmax
TBv max(
^ngvmax

2

(3.10)

ngvmax

Dòng điện và điện áp trung

bình qua điot

mm I
Ƣu điểm của

L

chiêu đâu vào có

biến tần nguồn áp vói nguôn một
điêu chỉnh + Điện áp và dòng điện

đƣợc điều chế gần sin hơn.
+ Điều cliinh điện áp ra dễ dàng bằng cách điều chỉnli góc mở của chinh luu và băng điêu
chỉnh khoảng dẫn của thyristor.
+ Cỏ khả năng làm việc ở chế độ không tải.
+ Do sử dụng các tụ làm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch lƣu loại này có kích thƣớc nhỏ gọn

hơn nghịch lƣu nguồn dòng. Không có tồn hao trong cuộn kháng lọc nguôn.
Nhƣọ*c điểm của biến tần nguồn áp vói nguồn một chiêu đâu vào có điêu chỉnh
+ Dòng điện và điện áp vẫn chứa nhiều thành phần sóng hài tân sô cơ bàn.
+ Đễ bị ngắn mạch pha nếu không khóa thyristor hợp lí (do thời gian phục hồi của
thyristor)
+ Với những hệ yêu cầu cao về điều chinh tốc độ thì bộ nghịch lƣu này khó đáp úng đƣợc
do khả năng chuyền mạch cùa van bán dẫn.
3.2.2. Biến tần nguồn áp một chiều đầu vào không điều chỉnh
Biến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chỉnh hay còn gọi là biến tằn
nguồn áp biến điệu bề rộng xung là dạng biến tằn đƣợc ứng dụng phổ biến nhất hiện nay.
Sơ đồ dùng chinh lƣu điot đầu vào nên hệ số công suất cao. Với phần nghịch lƣu nếu động
cơ công suất nhỏ ta dùng MOSFET,với công suất trung bình và lớn dùng IGBT,công suất
rất lớn chọn GTO (GTO đƣợc sừ dụng ở dải cống suất lớn, trên 300 kW, điện áp lƣới đến
690 V, tằn số băm xung cỡ 1 kHz). Vói động cơ dùng cho thang máy yêu cầu công suất
trung bỉnh lên ở đây chọn van là IGBT. IGBT đƣợc sừ dung trong các biến


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

tần có công suất đến 300 KW, điện áp lƣới đến 690V. Công suất càng lớn thì tần số băm
xung phải chọn thấp đê giảm tồn hao do quả trình đóng cắt trên van.
Nhƣ sơ đồ hình vẽ 3.6 gồm cả chỉnh lƣu điot và nghịch lƣu IGBT có thể đƣợc chế tạo
dƣới dạng module với kích thƣớc nhỏ gọn.Vì chỉnh lƣu đầu vào dùng điot nên sơ đồ không
có khả năng trao đôi công suất với lƣới.
Trong những ứng dụng khi phía tải xoay chiều yêu cầu ứả năng lƣợng về nguồn,
điện áp tiên tụ một chiều có thể tăng lên quá lớn. Sơ đồ phải ữang bị thêm bộ phận băm
xung áp phía một chiều dùng IGBT V7, xả năng lƣợng của tụ điện trên điện trở công suất
Rbr (V7 và Rbr gọi là mạch hãm - braking chooper). Trên module công suất có thể có cà
IGBT V7, còn điện trờ Rbrđƣợc tính toán tùy theo nhu cầu và lắp thêm ờ ngoài.
K

+
i Di' Ạ D3 Ạ D5
_MA_

ịƢ*

Luoi
380/220V —
/V\A.

VTTDIỈ

vĩ

mỊ

Vỹ D5

„ , ^D4
i, b Ĩ \
V6 D6 72

àể ĩ h ‘ h

SD4 ẠDỐ ẠD2

iWL_
®Lo
ÍSAT

D2

Hỉnli 3.6. Sơ đô biên tân nguôn áp dùng chỉnh lƣu không điêu khiên
Khảo sát bộ chỉnh lƣu với điều kiện làm việc
nặng nề nhất, tài có L=oo
Ta có:

3>/6

ìmÊỂ ÊẾ

(3.12)
71

Chọn van:
u = V6.Ơ, = 7 T / 3 . U
neDngD
maxmax

/

=/
TBD í/max ' i

vỵ

2

0

(3.13)

/3
Hình 2.7. Đồ thị dòng điện, điện áp sau chinh lƣu


Chương 3. Phân tích lựa chọn
phương án bộ biến tần

Công suất máy biến áp
ina
x

S^=7T/3.P,
d niax

(3.14)

cos (pba = 1

Hệ Số đập mạch của sơ đồ
(3.15)

**,=5,7%

Điện áp ở đầu ra của biến tần là những xung áp có độ rộng thay đối theo
phƣơng pháp biến điệu bề rộng xung, chứa chủ yếu là thành phần sóng hài cơ bản.
Trên những phụ tài mang tính cảm, nhƣ cuộn dây của động cơ xoay chiều, điện áp nảy
tạo nên dòng điện rất gân hình sin. Tuy vậy những xung áp có độ rộng ngắn có giá trị

dư/dt lớn có thê gây hỏng cách điện của các động cơ. Đây là điều cần lƣu ý, nhất là với
những động cơ công suất iớn khi thành phần diện nở của cuộn đây rắt nhó. Trong
niiửng trƣởng hợp cản thiết có thể phải dùng những mạch lọc LC đơn giản, kích thƣớc
nhỏ đê tạo ra điện áp hình sin tuyệt đối.
Vì sử dụng cliỉnli lƣu không điều khiển phía đầu vào nên hệ số công suât cùa sơ
đô cao, không phụ thuộc vào phụ tài. Tuy nhiên ờ thòi điềm đóng điện ban đâu, dòng
nạp cho tụ một chiều có thể có giá trị quá lớn, làm hòng các điot đầu vào. Dòng nạp

A

n

2 ^ị

iĩ

ì

<«>;
____________
1
A
ĩ
1» __ |:-j ì 7 ĩ "
c --

cho tụ khởi động phải đƣợc hạn chế,
phƣơng pháp nhƣ sau:

■BSIM T

bằng một trong các

:c

ị

Hình 3.8. Các biện pháp hạn chế dòng nạp cho tụ một chiều lúc khởi động.
(a )Dùng điện trở nối tiếp với tụ;(b) Dùng điện trở nối tiếp với mạch xoay chiều đằu
vào* (c) Dùng cầu chinh lƣu bán điều khiển; (d) Dùng cầu chinh lƣu tiristo.
Các biện pháp nhƣ trên đƣợc áp dụng cho các dải công suất từ nhỏ đến lớn theo

39


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

thứ tự từ (a) đến (d). Với công suất rất lớn việc dùng tiếp điểm công-tăc-tơ đề loại bỏ
điện trờ khởi động không thề áp dụng đƣợc mà phải dùng đến mạch không tiếp điểm

40



Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

dùng Tiristo. Sau khi khởi động xong các cầu chinh lƣu sẽ làm việc ờ góc điều
khiển bằng 0, giống nhƣ cầu điot đề đảm bảo hệ số công suất của sơ đồ.

a. Biến tần nguồn áp 1 chiều đầu vào không điều chinh, nghịch lưu PWM.

Phƣơng pháp biến điệu bề rộng xung có nhiều dạng, trong đó ta xét hai dạng cơ
bản sau:
+ Nghịcli lƣu PWM đơn cực
+ Ngliịch lƣu PWM lƣỡng cực
Hai phƣơng pháp trên có những ƣu điểm và nhƣợc điêm nhât định, đê lựu chọn
đƣợc một phƣơng pháp PWM thích hợp ta phái tiến hành phân tích ƣu nhƣợc điểm
cùa từng loại.
Phƣơng pháp nghịch lƣu PWM đtrn cực

Nội dung của phƣơng pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số
của điện áp ra nghịch lƣu mong muốn, với một điện áp răng cƣa tần số cao.Trong
những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn điện áp răng cƣa van đƣợc mờ để đƣa điện áp
ra tải, ữong những khoảng thời gian điện áp sin chuẩn thấp hơn điện áp răng cƣa van
khóa lại đề điện áp ra trên tải bằng không. Điện áp sẽ đƣợc tao ra riêng cho nửa chu kỳ
dƣơng và âm.


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Phƣơng pháp nghịch lƣu PWM lƣỡng cực

Hình 3.10. Nguyên lí và dạng điện áp của PWM lƣỡng cực
Nội dung của phƣơng pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số băng tân sô của
điện áp ra nghịch lƣu mong muốn, với một điện áp răng cƣa tân sô cao. Điện áp ra sẽ là +E
khi sin chuẩn cao hơn xung răng cƣa và là —E khi sin chuẩn thấp hơn xung răng cƣa.
So sánh hai phƣơng pháp nghịch lƣu
Hai phƣơng pháp trên là hai phƣơng pháp nghịch lƣu PWM cơ bản. về cấu trúc
mạch động lực của hai phƣơng pháp không có gì khác nhau, mà chi khác nhau vê nguyên
tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn. Hai phƣơng pháp trên có chứa những ƣu
điểm và nhƣợc điểm nhất định.

Phtnrng pháp PWM đo*n cực

ưu điểm:
+ Mạch điều khiển đơn giản do không có phần điện áp âm trong thành phẩn điện áp các
pha.
+ Số lƣợng chuyển mạch cùa van dẫn ít, do vậy tồn hao chuyển mạch thâp.

Nhược điểm:
+ Điện áp ra có biên độ không cao, biên độ cùa điện áp điêu biên là Ƣd/2. Khi tải có yêu cầu
điện áp lớn hơn ƣd/2 thì phƣơng pháp này không đáp ứng đƣợc.
+ Khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận 0 thì khó có thề đáp ứng đƣợc do khả năng chuyền
mạch của van dẫn.
Phƣơng pháp PWM luông cực ưu điềm:
+ Điện áp ra có biên dộ lớn, biên độ của điện áp điều biến là Ƣd, không phụ thuộc vào tải.
+ Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ, do có phần điện áp xung âm trong thành phần điện áp


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

pha nen có thể điều khiển điện áp pha về 0 mà vẫn đảm bảo điều kiện chuyền mạch của van
dẫn.
+ Khả năng đáp ứng cao về ồn định dòng điện cũng nhƣ tần số. Do có phần điện áp âm trong
điêu biên điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện tốt hơn.

Nhược điểm:
Nhƣợc điêm lớn nhất cùa nghịch lƣu PWM luờng cực là sụ phức tạp cùa mạch điều
khiển do phải phối hợp đóng cắt của các van dẫn.
Do có những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ vậy mà ngày nay ngƣời ta hay sử dụng phƣơng
pháp biến điệu bề rộng xung hai cực tính để điều khiển biến tằn. Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu
cụ thề biến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chinh sử dụng phƣơng pháp

điều khiển PWM lƣỡng cực.
Trong phạm vi đồ án ta thiết kế biến tần điều khiển theo phƣơng pháp biến điệu bề rộng
xung có các thông số đầu ra nhƣ sau đề có thề thỏa mãn điều khiển tải là động cơ thang máy
chờ ngƣời:
+ Điện áp của nguồn nuôi: Ba pha 380V/50Hz.
+ Tần số điện áp ra: 20 - 200 Hz.
+ Độ ồn định tần số điện áp ra: 5%.
+ Điện áp ra thay đổi từ 150V đến 500V.
Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu cụ thềbiến tần nguồn áp với nguồn
không điều chỉnh sử dụng phƣơng pháp điều khiển PWM lƣờng cực.
Biến tần nguồn áp với nguồn ỉ chiều
pháp điều khiển PWM lƣỡng cực

đầu vào không điều chỉnh sử

1 chiều đầu vào
dụng phƣcrng

Đầu tiên ta làm quen với hai thông số quan ừọng trong nghiên cứu phƣơng pháp:
Hệ số điều biến tần số
Hệ số điều biến tần số là ti số giữa tần số sóng mang và tần số sóng điều biến.


Chương 3. Phân tich lựa chọn phương án bộ biến tần

Trong đó:

f5 là tần số chuyền mạch
F là tần số ra cùa nghịch lƣu

Hệ số điều biến tần số có ý nghĩa rất quan trọng trong phƣơng pháp nghịch lƣu PWM.
Việc chọn hệ số điều biến sẽ quyết định chất lƣợng và giá thành của bộ nghịch lƣu. Các cơ sở
đề chọn hệ số điều biến:
- Nhƣ đã biết các thành phần sóng hài bậc cao tồn tại trong một dải xung quanh tần số chuyển
mạch và bội số của nó: rrif, 2nift 3iĩif... ứng với ma= 0 —> 1.
Với nif < 9 ( trừ trƣờng hợp công suất rất lớn), các biên độ thành phần sóng hài hầu nhƣ độc
lập với hệ số điều biến tần số. về lý thuyết, sóng hài bậc cao sẽ xuất hiện ở tần số:
■pi ■

>

■

F

h

= (jmf Ề k)f|

Trong đó: j là bội số cúa hệ số điều biến tản sả, k là số Thử tự ƣong dài tần số ứng với bội số
của hệ số điều biến tần số Iĩif; h là bậc của sóng hài bậc cao:

Ỷ• h=jmfjlf k
(3-17)
Giá trị h = 1 tƣơng ứng với tấn số cơ bản (f|). Với j là các số lẻ, sóng hài chỉ xuất hiện
ứng với các giá trị k chẵn và với j là chẵn, sóng hài sẽ chi xuất hiện với k lẻ.

pịịl

- Khi Iĩif là số lẻ, các thành phần sóng hài bậc chẵn sẽ không tồn tại và các hệ số cùa hàm cos

sẽ bằng không.
- Lựa chọn tần số chuyền mạch và hệ số điều biến tần số: đề giảm thành phần sóng hài bậc
cao(do đó giảm kích thƣớc, giá thành bộ lọc) tần số chuyền mạch nên chọn trị số lớn. Tuy
nhiên tồn hao do chuyền mạch của nghịch lƣu sẽ tăng ti lệ với tần số chuyền mạcli.
Đa số các hệ truyền động áp dụng tTong thực tế, tần số chuyển mạch đƣợc thiết kế nhò
hơn 6 kHz hoặc lớn hơn 20 kHz: ở các hệ thống truyền động có tần số chuyển mạch tối ƣu
nằm trong giới hạn 6-20 kHz, ở dải tần số chuyền mạch 20 kHz “ hiệu suất thấp sẽ đƣợc bù lại
bằng ƣu thế không có nhiều” Do đó, ở các hệ thống truyền động động cơ xoay chiều tần số 50 60 Hz, tần số cơ bản điện áp ra nghịch lƣu cần thiết đến trị số 200 Hz; hệ số điều biến tần số có
thể là 9 hoặc nhỏ hơn tƣơng ứng với tần số chuyền mạch 2 kHz. Ngƣợc lại có thề lớn hơn 100
khi tần số chuyển mạch cao hơn 20 kHz.
Do đó áp dụng cho bộ nghịch lƣu trong đồ án này em sẽ chọn hệ số mf= 39.
Khi đó tằn số chuyền mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lƣu là:
ÍĨMX=200.39=7800 HZ

Tằn số chuyền mạch nhỏ nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lƣu:
Fmin=20.39=780 Hz
Hệ sổ biến điệu biên độ Hệ số biến điệu biên độ là tỷ số giữa điện áp sóng điều biến và


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

điện áp sóng mang.
BL

m

=^!OL
°

urn.

(3.18)

xm

Trong đó Udknì : biên độ điện áp sóng điều biến

Uxm : biên độ điện áp sóng mang
Hệ số điều biến biên độ là một đại lƣợng quan trọng, đại lƣợng này quyêt định điện áp
đầu ra của bộ nghịch lƣu. Hệ số điều biến biên độ là một đại lƣợng thay đồi trong quá trình
vận hành cùa bộ nghịch lƣu. Khoảng giá trị của hệ sô điêu biên biên độ đƣợc chia làm hai
plìần:
+ Khoảng thứ nhất m < 1 : khoảng này đƣợc gọi là khoảng điều khiển tuyến tính
cùa bộ nghịch lƣu. Khi điều khiền trong khoảng này tlù điện áp ra đƣợc điều khiển tuyến tính.
+ Khoảng thứ hai m >1: khoảng này đƣợc gọi là khoảng điều khiển phi tuyến. Klù điều
khiển trong khoảng này thì điện áp ra tỉ lệ phi tuyến VỚI điện áp điều khiển.
Hai klioàng điều khiển trên có những ƣu nhƣợc điềm nhất định. Trong khoảng điều khiển
tuyến tính thì điện áp ra gần điện áp hình sin hơn thành phần sóng hài đƣợc lọc tốt hơn nhƣng
đồi lại tổn hao trong bộ nghịch lƣu tăng do van bán dẩn phải chuyển mạch nhiều lần trong
một chu kì. Và khi điều khiển trong khoảng tuyến tính thì điện áp và công suất ra không thể
đạt giá trị lớn. Trong khoảng điều khiển phi tiiyến thì có thề cho ra ờ đầu ra một điện áp lớn
hơn khi cùng một giá trị điện áp đầu vào nhƣ chế độ điều khiển tuyến tính, nliƣng bù lại thì
trong thành phần điện áp ra chứa nhiều thànli phần sóng hài do chuyền mạch đƣợc thực hiện
phần lớn ở chế độ xung vuông. Chế độ điều khiển phi tuyến chỉ đƣợc thực hiện khi yêu cầu
công suất đẩu ra tƣơng đối lớn và thƣờng dùng cấp cho động cơ đồng bộ.
Trong bộ nghịch lƣu ra chọn hệ số điều biến biên độ makhiển bộ nghịch lƣu theo phƣơng pháp tuyến tính.


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

I «?

Hình 3.11. Phổ biên độ các thành phần sóng hài a, ma <1 b, Tìĩa >1
Phân tích điện áp đầu ra khỉ maTrong một chu kì tấn số sóng mang, điện áp sóng điêu biên Udk biên đôi rât chậm
nên ta coi nhƣ điện áp đó không đồi trong một chu kì tần sô sóng mang. Trị sô trung bình
của điện áp một pha đầu ra có thể tính thèo công thức.

(319)

¡§¡¡¡111 ' MiBj
xm

Trong công thức trên:
+ ƯA0: điện áp của pha A so với điếm trung tính (điềm trung tính đƣợc qui ƣớc là điềm
giữa hai tụ lọc nguồn)

+ưdk : điện áp tức thời của điện áp điều biến.
+£/
•T//I

m

: biên độ điên áp điều biến
I

warn

f

>

’

: giá trị điện áp một chiều nguồn cung cấp cho mạch nghịch lưu.

Công thức trên chi đƣợc sử dùng trong trƣờng họp điều khiển trong phần tuyến tính
(ma<l), còn khi không tiiyén tính (ma>l) thì công thức trên không còn chính xác nữa.
Điện áp điều biến đƣợc đƣa vào mạch điều khiển là một điện áp hình sin chuẩn có
tần số là tằn số mong muốn của điện áp đầu ra. Tần số đó có giá trị = 0)j / 271 và điện áp
sóng điều biến là:
điều kiện ưdtn < um


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

TrỊ số sóng điện áp sóng cơ bản đầu ra có thể tính theo công thức:
(3.20)

ư.
Biên độ điện áp sóng cơ bản đầu ra:
( U AO m \ 1

(3.21)

Ta thấy rằng điện áp sóng cơ bản tỉ lệ tuyến tính với hệ số điều biến biên độ,
chính vì vậy dải điều biến malƣu.
Điện áp dây của sóng điện áp cơ bản:

ÍT/. Ạ =^Ỉ3(u ,A =
-V

Ao/ 1

T

B>

ÁU'\

[KỊ

s

1

0.22)
2


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần


Biên
điện
tàn số
bản:tần
Chương 3.

Phânđộ
tích
lựa áp
chọndây
phương
án cơ
bộ biến
(3.23)
Trị số điện áp hiệu dụng điện áp sóng cơ bản đâu ra:

■■■BBKHBầmÉIÌIBỄ

(3.24)

M

f)ãt 1 =

:

f=.m ta có bảng giá trị các giá trị ma và các sóng hài nhƣ sau:

2v2
Bảng 3.1. Thành phần sóng hài trong điện áp dây
IU
1 um

0.2

0.4

0.6

0,8

1.0

u

0,122

0,245

0,367

0,490

0,612

39±2
39 ±4

0,101
,w.

0,037
0

0,080
0

0,135
0,005

0,195
0,011

ó 39+ ị

0,116
0

0,200
0

0,227
0

0,192
0,008

0,111
0,020

0,027

0,085
0,007

1 1 **

0,029

0,064

0,096

0,096
0
0

0,005
0021

0,064
0,051
0,010

0,042
0,073
0,030

'md •«/ /
mSmm 1

3.39
±2
2.39±5
3.39+4

439± 1

4.39±5
4.39 ±7

0,100
0
0

0


Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần

Đối với PWM, luật điều khiển tối ƣu đƣợc thực hiện nhƣ sau: Các van trong cùng một
nhóm sẽ đƣợc mở cùng một lúc ở thời điềm ban đầu của chu kỳ T s. Nhƣng các van sẽ đƣợc
đóng lạĩ những thời điềm khác nhau tƣơng ứng với luật điều biến ( tƣơng ứng với độ rộng và
Á£>). Ngoài ra chu kỳ của tần số chuyển mạch là nhƣ nhau đối với tất
cả các pha. Điều này đảm bảo trong mỗi chu kỳ tần số chuyền mạch luôn có những đoạn mà
điện áp ra băng không. Do đó dạng điện áp ra sẽ không phụ thuộc vào đặc tính của tải và các
sóng điều hòa bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch sẽ không tồn tại trong điện áp ra cùa
nghịch lƣu.
Đồ thị điện áp nghịch lƣu ba pha đƣợc mô tả trên hình 3.12. Đồ thị đƣợc xây dựng với
ma=12.

Hình 3.12. Dạng tín hiệu điều khiển các van và điện áp ra nghịch lƣu
Tính toán chọn các van trong nghich lƣu
Để lựa chọn các van động lực cúng nhƣ các van điot, cần xác định giá trị trung bình của
dòng qua van và điện áp lớn nhât đặt lên van.