chuong 1 gioi thieu về biến tần

5/17/2018 Chuong 1 Gioi thieu vê ̀ Biê ́n Tâ ̀n - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/chuong-1-gioi-thieu-ve-bien-tan 1/11

Biến tần trực tiếpi1,

f 1

i2,

f 2

Đồ án tốt nghiệp Chương 1

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN

1.1. ĐỊNH NGHĨA, PHÂN LOẠI BIẾN TẦN

Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,

các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, các thiết bị đốt nóng

bằng cảm ứng, trong các thiết bị chiếu sáng.

Nhờ các bộ chuyển mạch điện tử ta có thể biến đổi tần số của lưới điện.

Người ta chia các bộ biến tần ra làm 2 loại:

+ Bộ biến tần trực tiếp: Biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số f2 bằng

cách đóng cắt dòng xoay chiều tần số f. Nói chung f2<f1, thuật ngữ tiếng anh:

Cycloconverter.

a)+ Bộ nghịch lưu (còn gọi là bộ biến tần gián tiếp), trong bộ nghịch lưu dòng

điện một chiều (f = 0) được chuyển mạch để tạo nên tần số f2 mong muốn, thuật

ngữ tiếng anh: Inverter.

b)

Hình 1.1: Các loại bộ biến tần

a) Biến tần trực tiếp.

b) Biến tần gián tiêp.

Bộ biến tần trực tiếp được tạo nên từ 2 nhóm biến đổi nối song song ngược

như hình 1.2. Dạng sóng điện áp u dòng điện i được biểu diễn như hình 1.3.

Ta nhận thấy công suất tức thời trên tải P=UI biến thiên theo 4 giai đoạn.

trong các giai đoạn mà dòng điện i cùng chiều với điện áp u, kết quả p = u.i > 0.

Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Trong các giai đoạn u và i ngược chiều

làm cho công suất tức thời p = u.i < 0, bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu.

SVTH: Bùi Văn Điểm Trang 1

Biến tần nghịch lưu

i1,

f 1=0 i

2,f

2




Nguyên lý biến tần trực tiếp đã được cấp bằng phát minh từ năm 1920. Năm 1930

ở Đức đã sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng đèn thủy ngân để tạo nên tần số

3

2

16 Hz dùng trong truyền động động cơ xoay chiều 1 pha trong giao thông. Cũng

trong thời này bộ biến tần trực tiếp sử dụng 18 đèn tiratron cung cấp cho động cơ

400 mã lực được sử dụng ở Hoa Kỳ. Từ khi phát minh ra Thyristor các bộ biến tần

công suất lớn điều khiển vi xử lý được sử dụng rộng rãi trong các truyền động tốc

độ thấp, công suất lớn, truyền động lò xi măng, máy cán, các hệ truyền động máy

bay, tàu thủy, xe lửa.

Hình 1.3: Các dạng sóng lý tưởng của tải


Hình 1.2: Sơ đồ chức năng biến tần trực tiếp

Nhóm bộ

biến đổidương

Nhóm bộ biến đổiâm

Tải

Nguồn cótần sồ cốđịnh

i

u

Nhómdươngnghịch

lưu

Nhómâm

nghịchlưu

Nhómdươngchỉnhlưu

Nhómâm

chỉnhlưu

u i




1.2. BỘ NGHỊCH LƯU

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi 1 chiều thành xoay chiều.

Nguồn cung cấp là nguồn 1 chiều nhờ các khoá chuyển mạch làm thay đổi đầu vào

và đầu ra 1 cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều. Hoạt động của bộ nghịch

lưu phụ thuộc vào nguồn và tải.

Các bộ nghịch lưu được phân làm 2 loại:

+ Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp 1 chiều.

+ Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng 1 chiều.

Loại nguồn sẽ xác định theo quan điểm chuyển mạch.

Điện áp hoặc dòng điện ra của bộ nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng được

tạo nên từ một sóng trong một nửa chu kỳ gọi là bộ nghịch lưu điều khiển toàn

sóng .

Do sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp điều

khiển, người ta thường dùng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM, mỗi

một nửa chu kỳ được tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích hợp, nhờ đó dễ dàng

lọc điện áp và dòng điện ra.

Vì lý do đó ta bắt đầu nghiên cứu sự làm việc của bộ nghịch lưu điều khiểntoàn sóng làm cơ sở so sánh với sự làm việc của điều biến độ rộng xung.

1.3. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA

Bộ nghịch lưu áp 1 pha được cấp bằng nguồn áp 1 chiều có trở kháng nhỏ, do

đó điện áp u không chịu biến thiên dòng điện qua nó. Điện áp vào 1 chiều u được

chuyển mạch để tạo nên điện áp ra xoay chiều u’.

Dòng điện ra i’ và dòng điện vào i phụ thuộc vào tải xoay chiều. Tải này cóthể bất kỳ với điều kiện không phải là một nguồn áp khác (điện dung hay sức điện

động xoay chiều) mắc trực tiếp vào đầu ra.

Để nghiên cứu các bộ nghịch lưu áp một cách tổng quát ta giả thiết dòng điện

xoay chiều lý tưởng nghĩa là dòng tải hình sin.

Có 3 bộ nghịch lưu 1 pha:

+ Bộ nghịch lưu có máy biến áp điểm giữa thông thường gọi là bộ nghịch

lưu đẩy kéo.





+ Bộ nghịch lưu phân áp vào điện dung còn gọi là bộ nghịch lưu bán cầu.

+ Bộ nghịch lưu cầu.

Hai bộ nghịch lưu đầu chỉ cần 2 khóa chuyển mạch nhưng phải có 1 điểm ở giữa ở phía ra xoay chiều hoặc ở phía vào 1 chiều, trong khi đó bộ nghịch lưu cầu

cần 4 khóa chuyển mạch.

1.4. BỘ NGHỊCH LƯU CẦU MỘT PHA

Sơ đồ cầu gồm 4 MOSFET bố trí theo kiểu cầu, từng MOSFET được điều

khiển đóng mở 1 cách chu kỳ.

Các Diod D1, D2 ,D3, D4 đấu song song ngược với các MOSFET tương ứng

là cần thiết khi tải mang tính cảm kháng.

Từ nguồn một chiều E, sơ đồ cho phép tạo ra trên tải 1 điện áp “hình sin chữ

nhật”, có tần số biến đổi được.

Hình 1.4: Biến tần sơ đồ cầu một pha dùng Mosfet

* Hoạt động của sơ đồ:

- Giả sử M2 và M4 đang dẫn cho dòng điện chạy qua (dòng tải đi từ A đến

B). Cho xung mở M1 và M3 và tắt xung điều khiển cho M2 và M4. Dòng tải I = -

Im không đảo chiều một cách đột ngột, nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo

mạch: D1- E - D3 - tải Z – D1 và suy giảm dần. Điện áp trên tải là U=E.

- Khi t = t1, i=0, D1 và D3 khóa lại M1 và M3 sẽ mở nếu còn xung điều khiển

ở cực G1 và G3, dòng tải i>0 và tăng trưởng chảy theo chiều từ A B. Giai đoạn

từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn trả năng lượng.


+E

D3

B

M3

3

1

2

M4

3

1

2

M13

1

2

A

TAI AC

1 2

D2M2

3

1

2

D4

D1

0




- Khi t=T/2: cho xung điều khiển mở cho M2 và M4 dẫn và tắt xung điều

khiển của M1và M3, dòng tải i chảy qua D2 và D4 khiến cho M2 và M4 bị khóa

lại. Khi t = t3, i = 0, M2 và M4 sẽ dẫn trở lại, i<0, chảy theo chiều từ BA, điện

áp tải U = -E. Dòng tải biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa 2 giá trị Im và –Im .

Giả sử tải Z = R + L ta có biểu thức dòng điện tải i:

Khi bắt đầu cho xung mở M1 và M3 ta có phương trình:

E i Rdt

di L =+ .

R

E aia

dt

di .. =+

Dưới dạng toán tử Laplace, ta có:

p R

E a p I ai p I p

.

.)(.)0()(. =+−

Trong đó sơ kiện i(0) = -Im và L

Ra = .

Do đó: at

m

at e I e

R

E i

−− −−= )1(

Tương tự như vậy khi cho xung điều khiển mở M2 và M4 ta có phương

trình:

E i Rdt

di L =−− . và [ ] )2/()2/(1 T t a

m

T t ae I e

R

E i

−−−− +−=

- Dòng nguồn is: Chúng ta có thể qui ước: Is > 0 khi nguồn nuôi cung cấp

năng lượng cho tải, tức là khi các MOSFET dẫn dòng; Is < 0 khi tải trả năng lượng

về nguồn nuôi, tức là khi diod dẫn dòng. Is là dòng xoay chiều răng cưa.Chất lượng điện áp tải và dòng tải:

Điện áp tải có dạng “hình sin chữ nhật” đối xứng. Nó là 1 hàm lẻ, chu kỳ.

Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin:

...)5sin5

13sin

3

1(sin

4+++= t t t

E u ω ω ω

π

Biên độ số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất.





Mạch tải gồm R và L. Tổng trở của mạch tải liên quan đến bậc của sóng hài

như sau:

22 )( Ln R Z n

ω +=

Trong đó n = 1, 3, 5, 7,… Vì Z5 > Z3 >Z1 nên biên độ sóng hài của dòng

tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải.

Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ bằng 5,4 % biên độ của số hạng

thứ 1 của nó.

Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai triển

Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác.

Hình 1.5: Giản đồ điện áp và dòng điện ra của biến tần


t1

t2

t3

t4

D1

D3 D4

D2

M4

M2M1

M3

E

Im

-E

-Im

π

2π

t




1.5. SƠ ĐỒ ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG PWM

Hình 1.6: Sơ đồ điều biến độ rộng xung


ui

0 θ

T3

T2

T3

D3

Um Up

α4

α3

α1

π 2π

+E U1m

i

π/2 0’

-E

α2

T1

T4

D1

T1

D4

T4

α5

D2




PWM: Pulse Width Modulation.

Thiết bị biến tần chỉ tại ra điện áp hình sin chữ nhật, chứa nhiều sóng hài.

Muốn giảm nhỏ ảnh hưởng của sóng hài, người ta có thể dùng các bộ lọc, như vậy

trọng lượng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao.

Điều mong muốn là làm thế nào có thể vừa điều chỉnh được điện áp mà vẫn

giảm nhỏ được sự ảnh hưởng của sóng hài bậc thấp.

Biện pháp “điều biến độ rộng xung” nhằm đáp ứng yêu cầu trên. Ưu điểm

chính của kỹ thuật điều biến độ rộng xung là:

- Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện bị đẩy sang phía tấn

số cao nên dễ lọc.- Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ hai khoá chuyển mạch trong

cùng một pha. Nội dung chính của phương pháp này như sau:

+ Tạo ra 1 dạng sóng hình sin Um, ta gọi là sóng điều biến có tần số bằng

tần số mong muốn.

+ Tạo ra 1 sóng dạng tam giác, biên độ cố định U p ta gọi là sóng mang, có

tần số lớn hơn nhiều tần số của sóng điều biến (thường là bội ba).

+ Dùng khâu so sánh để so sánh Um và Up. Các giao điểm này xác địnhkhoảng tác động của xung điều khiển Thysitor hay Transistor.

Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại:

+ Điều biến độ rộng xung đơn cực: Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung,

có độ rộng khác nhau có trị số từ 0 đến +E trong nửa chu kỳ dương, và 0 đến –E

trong nửa chu kỳ âm.

+ Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung

có trị số từ -E đến +E.

Tỷ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang được gọi là tỷ số

điều biến, ký hiệu: M

M = Am/Ap

Điều chỉnh Am chính là điều chỉnh độ rộng xung.

Khi M=1 thì điện áp ra trên tải là lớn nhất. Muốn giảm nhỏ điện áp ra trên

tải ta giảm nhỏ Am.





* Sơ đồ điều biến hoạt động như sau:

+ M2 mở suốt trong nửa chu kỳ âm (dẫn).

+ M3 mở suốt trong nửa chu kỳ dương (dẫn).Dòng tải chậm pha so với điện áp tải u.

+ Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chảy từ nguồn ra tải qua 2

MOSFET.

+ Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chảy từ tải về nguồn qua 2

Diod.

+ Trong khoảng u = 0 dòng tải chảy qua 1 MOSFET của nhánh này và

Diod của nhánh khác, tải bị ngắn mạch dòng điện nguồn Is = 0.

* Sóng hài trong điện áp tải:

+ Nếu chuyển gốc toạ độ sang 0’, điện áp tải U là một hàm chu kỳ lẻ.

Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin:

+ Biên độ của sóng hài được tính theo công thức:

∫

Π

=0

2

).sin().(θ θ α

π

d E U nm

- Khi n = 1 ta có:

++

Π= ∫ ∫ ∫

Π 2/

1

5

4

3

2

1

).sin().sin().sin(.4

α

α

α

α

α

θ θ θ θ θ θ d d d E

um

[ ]54321 coscoscoscoscos.4

α α α α α +−+−Π

=E

- Khi n = 2: Unm = 0

- Khi n = 3: ta có:

++

Π= ∫ ∫ ∫

Π 2/

3

5

4

3

2

1

)..3sin()..3sin()..3sin(.4

α

α

α

α

α

θ θ θ θ θ θ d d d E

um

[ ]).3cos().3cos().3cos().3cos().3cos(

.3

.454321 α α α α α +−+−

Π

=E





+ Biên độ sóng hài tổng quát:

∑ −−Π

=k

i

n

nmn

E U

1

1 ).cos(.)1(.4

α

Trong đó: n = 1, 3, 5, 7

αI - góc chuyển trạng thái,i biến thiên từ 1 đến k

αk - góc chuyển trạng thái cuối cùng trước π/2

Như vậy trong điều biến độ rộng xung đơn cực để điện áp tải không chứa

các thành phần sóng hài bậc 3, 5, 7 cần phải có:

0).3cos()1(.3.4

.1

13 =−

Π= ∑

−

k

ii

m E U α

0).5cos()1(.5

.4

.1

1

5 =−Π

= ∑−

k

i

i

m

E U α

0).7cos()1(

.7

.4

.1

1

7 =−Π

= ∑−

k

i

i

m

E U α

Phương pháp này người ta còn goi là phương pháp điều biến Sin_tam giác. Ngoài ra còn có các phương pháp điều biến khác như:

+ Phương pháp điều biến Sigma_đenta.

+ Phương pháp điều biến tính toán trước.

SVTH: Bùi Văn Điểm Trang10




SVTH: Bùi Văn Điểm Trang11

chuong 1 gioi thieu về biến tần

Documents