Chương 5: Biến tần và nghòch lưu độc lập Nghòch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bò để biến dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều có tần số cố đònh hoặc biến thiên. Biến tần (BT) là thiết bò để biến đổi năng lượng xoay chiều tử tần số này sang tần số khác. Các biến tần chia làm hai loại lớn: - Biến tần trực tiếp: Điện áp xoay chiều u 1 (tần số f 1 ) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác. Vì vậy biến tần này hiệu suất biến đổi năng lượng cao. Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn, nhất là với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f 2 khó khăn và phụ thuộc vào tần số f 1 . Vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có BT loại này với phạm vi điều chỉnh tần số f 2 < f 1 . Mặc dù về nguyên tắc có thể lập BT với f 2 > f 1 , song mức độ phức tạp sẽ tăng lên nhiều. - Biến tần gián tiếp: có khâu trung gian một chiều. Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua một bộ lọc rồi mới được biến trở lại thành điện áp xoay chiều với tần số f 2 . Việc phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất BT. Song bù lại loại BT này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f 2 không phụ thuộc vào f 1 trong một dải rộng cả trên và dưới f 1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các loại transitor đã cho phép phát huy tối đa các ưu điểm của BT loại này. Vì vậy đại đa số các BT hiện nay là BT có khâu trung U f 1 U f 2 MẠCH VAN U f 1 U f 2 CHỈNH LƯU LỌC NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP U = U = a) b) gian một chiều. Tuy nhiên nếu dùng van tiristo, vẫn còn có một số khó khăn nhất đònh khi giải quyết vấn đề khóa van. Hình 2.19 Cấu trúc biến tần và nghòch lưu độc lập a) Biến tần trực tiếp Trong biến tần trực tiếp đường cong điện áp đầu ra là đường ghép nối các đoạn hình sin của điện áp nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ các van dẫn. Các van dẫn trong biến tần trực tiếp được chuyển mạch tự nhiên. Biến tần trực tiếp có hiệu suất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ. Cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy vậy biến tần trực tiếp cũng có các nhược điểm dễ nhận thấy như: hệ số công suất thấp, số lượng các van bán dẫn ở mạch lực khá nhiều và tần số điều chỉnh bò giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van bán dẫn này BA L CB LCB P N Z t iCB Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ roto lồng sóc, các động cơ roto dây quấn cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ v.v Sơ đồ mạch lực của biến tần một pha tương tự như sơ đồ mạch lực của chỉnh lưu có đảo chiều dòng điện, hai nhóm van P, N được nối song song ngược. Nguồn cung cấp có thể là một hoặc hai dây quấn riêng lẻ của thứ cấp máy biến áp BA, hoặc là trực tiếp từ lưới điện, tổng trở tải Z t nối giữa các điểm chung của hai nhóm van. Các nhóm van P, N được điều khiển luân phiên và do đó trên tải có điện áp xoay chiều với biên độ và tần số sóng cơ bản tùy thuộc vào tham số của tín hiệu điều khiển. Các nhóm van P, N có thể được điều khiển phối hợp chung hoặc điều khiển riêng. Nếu dùng phương pháp điều khiển riêng thì không cần các cuộn kháng cân bằng L cb , còn trong trường hợp điều khiển chung thì các cuộn kháng L cb làm nhiệm vụ hạn chế dòng điện cân bằng do có chênh lệch giá trò tức thời của điện áp cân bằng giữa hai nhóm van gây ra. Hình 2.20 Biến tần trực tiếp một pha Biến tần trực tiếp ba pha được hình thành trực tiếp từ ba biến tần một pha, sơ đồ nối các pha tùy thuộc vào sơ đồ nối tải: hình sao, hình tam giác hoặc là ba pha cách ly nhau. Để tiện phân tích làm việc, giả thiết tần số điện áp ra rất nhỏ hơn tần số lưới và thời gian chuyển mạch giữa các van là không đáng kể so với độ dài chu kỳ điện áp. Tải của biến tần trực tiếp là động cơ điện xoay chiều nên dòng điện thường chậm pha hơn so với điện áp b) Nghòch lưu độc lập nguồn dòng  Nguyên lý làm việc Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh nghòch lưu nguồn dòng thường dùng các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Nguồn cung cấp cho nghòch lưu là nguồn dòng điện, dòng điện một chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải. Để thực hiện điều này thường điện cảm L d phải có giá trò đủ lớn và phải sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật và do trình tự đóng cắt của các van từ V 1 đến V 6 quyết đònh. Giá trò hiệu dụng của dòng điện tải: I s = I d . 3 2 Giá trò hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích Fourier: I s1 = I d .  6 , (2-1) c iS V3 V5 V4 V6 V2 Id t t t Id Id Id iSa iSb iSc t0 t0 t0 o + Ud Ld a V1 b Giá trò hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản điện áp được xác đònh theo điều kiện cân bằng công suất giữa nguồn và tải, bỏ qua các tổn hao trên van và tổn hao do các thành phần sóng hài bậc cao gây ra: U d .I d = 3.U s1 .I s1 .cos  1 , (2-2) trong đó  1 là góc lệch pha giữa thành phần cơ bản dòng điện và thành phần sóng cơ bản điện áp của tải. Giải đồng thời (2-1) và (2-2) ta được: U s1 = 1 d cos U 63    Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nghòch lưu nguồn dòng Khi nghòch lưu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì trên đồ thò điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các pha. Trong thực tế kỹ thuật thường sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì vậy cần có các mạch khóa cưỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa các pha Điện áp Dòng điện Đầu ra mong muốn U a Ub Uc Điện áp nhóm dương (P) Điện áp nhóm âm (N) iap ian ia ib ia -ib Ut một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng. Trên hình 2.15 ngoài các tiristo lực T 1  T 6 còn sử dụng các điot cách ly D 1  D 6 nhằm để cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch. Hình 2.22 Các dạng điện áp cực đại trên tải cảm kháng Giả thiết ta bắt đầu xem xét quá trình chuyển mạch tại thời điểm t 0 trên hình 2.15, các van T 1 , T 2 đang dẫn, dòng điện chảy liên tục vào pha  và ra pha c của tải, tụ C 13 nạp đầy điện áp và có cực tính như trên hình 2.16a. quá trình chuyển mạch bắt đầu xảy ra khi phát xung mở cho T 3 , khi T 3 dẫn thì điện áp trên C 13 đặt ngược lên T 1 làm van này khóa lại. Điot D 3 chưa dẫn vì tổng điện áp trên C 13 và điện áp dây giữa a và b còn đặt ngược trên điot này. Dòng điện I d khép mạch qua T 3 -C 13 -D 1 -a-c-D 2 -T 2 , tụ C 13 được phóng và nạp ngược với dòng điện không đổi và bằng dòng điện I d . Khi điện áp trên C 13 đạt đến giá trò điện áp dây U ab thì D 3 bắt đầu dẫn, dòng điện pha a bắt đầu giảm và dòng điện pha b bắt đầu tăng lên, sao cho tổng giá trò hai dòng điện này đúng bằng I d . Khi C 13 đạt được giá trò điện áp đúng bằng giá trò trước khi xảy ra chuyển mạch với cực tính ngược lại thì D 1 khóa hoàn toàn và dòng qua pha b đạt giá trò dòng cung cấp, quá trình chuyển mạch kết thúc. Quá trình chuyển mạch dòng điện của sơ đồ hình 2.16b về cơ bản giống như quá trình của sơ đồ hình 2.16a vì chỉ dùng một tụ chuyển mạch, cho cả sáu van mạch lực nên phải dùng các tiristo phụ để lần lượt nạp và phân phối điện áp khóa đến các van. Với sơ đồ này có thể thực hiện được các quy luật điều khiển tần số – dòng điện khác nhau theo yêu cầu của truyền động điện mà không làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch dòng điện giữa các pha. Ta lại xét quá trình chuyển mạch từ T 1 sang T 3 ; khi T 1 , T 2 đang dẫn thì tụ C đang dẫn với cực tính ghi trên hình 2.16b. Quá + E N CC Đ1 T1 T2 Đ2 Đ3T3 T4 Đ4 i d - Zt Ut id + - trình chuyển mạch là lúc phát xung điều khiển vào T L , T p1 , T 3 thì T L và T p1 mở làm cho T 1 khóa, dòng điện khép mạch qua U d - T L -C-T p1 -a-C-T 2 . Tụ C phóng và nạp ngược với dòng điện không đổi, khi U c bằng U ab và trên T 3 còn duy trì dòng điều khiển thì T 3 bắt đầu dẫn dòng qua pha b, dòng điện pha a giảm dần và dòng điện pha b tăng dần sao cho tổng của chúng đúng bằng dòng điện I d . Kết thúc quá trình chuyển mạch thì các van T L , T p1 tự khóa, van T 3 nhận toàn bộ dòng điện I d . Để bảo đảm điện áp trên tụ C có giá trò và cực tính đúng yêu cầu trước mỗi lần chuyển mạch cho nhóm van số lẻ cần phát xung mở T n2 , T n4 . c) Nghòch lưu điện áp Nghòch lưu điện áp một pha Hình 2.17 trình bày NLĐA một pha sơ đồ cầu tải RL với các đồ thò làm việc. Nguyên lý làm việc: Các van T 1  T 4 được điều khiển theo cặp T 1 T 3 , T 2 T 4 lệch pha nhau 180 o . ở nửa chu kỳ đầu điều khiển mở T 1 T 3 : điện áp nguồn sẽ đặt lên tải với cực tính xác đònh ta có u t = E N . Dòng điện chảy từ cực dương nguồn qua T 1 , Z 1 , T 3 về cực âm nguồn. - EN + T6 Đ6 T3 Đ3Đ1 Đ4T4 T1 Đ5 Đ2T2 T5 iA iB iC A B C UA ZA ZB ZC ZA ZB ZC 0 Hình 2.23 Nghòch lưu điện áp một pha Đến thời điểm T/2 (hoặc ) ta đảo trạng thái điều khiển cho T 1 T 3 và T 2 T 4 dẫn. Nhưng do tải có tính cảm nên dòng điện không đảo chiều ngay được. Năng lượng tích lũy ở điện cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ, lúc đó dòng điện buộc phải thoát qua các điot Đ 2 , Đ 4 về nguồn theo đường Đ2 cực dương E N - qua nguồn E N xuống cực âm (hoặc qua tụ C 0 )-Đ 4 . (Một phần dòng tải sẽ qua T 2 , T 4 theo chiều ngược). Như vậy do Đ 2 , Đ 4 và T 2 , T 4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay u t =- E N , song dòng điện i t vẫn duy trì chiều cũ cho đến thời điểm t 2 mới đảo chiều. Đến điểm 2  lại đỏa trạng thái, quá trình diễn ra tương tự: dòng sẽ duy trì chiều cũ một đoạn bằng t 1 nhờ các van Đ 1 , Đ 3 , T 1 , T 3 rồi mới đảo chiều. Qua một chu kỳ tải nhận được điện áp và dòng điện là xoay chiều, đây chính là nguyên lý nghòch lưu. Hình 2.24 Sơ đồ nghòch lưu điện áp ba pha Nghòch lưu điện áp ba pha NLĐA ba pha thường dùng sơ đồ cầu, trong đó đôi lúc người ta dùng ba cầu một pha đấu thành mạch ba pha. Các quá trình điện từ trong NLĐA ba pha phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: đặc tính tải, cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra, nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển. Sơ đồ nghòch lưu điện áp ba pha cầu trình bày ở hình 2.18. Các phương pháp điều khiển tương tự như NLĐA một pha. Tuy nhiên thường dùng nhất là kiểu điều khiển cho góc dẫn của van:  = 180 o và  =120 o . Còn tải có thể đấu sao hoặc tam giác. . điều khiển phối hợp chung hoặc điều khiển riêng. Nếu dùng phương pháp điều khiển riêng thì không cần các cuộn kháng cân bằng L cb , còn trong trường hợp điều khiển chung thì các cuộn kháng. được điều khiển luân phiên và do đó trên tải có điện áp xoay chiều với biên độ và tần số sóng cơ bản tùy thuộc vào tham số của tín hiệu điều khiển. Các nhóm van P, N có thể được điều khiển. phụ thuộc vào f 1 trong một dải rộng cả trên và dưới f 1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là