28 Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(i s ) Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T 2 và T 4 đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khi t = 0, cho xung điều khiển mở T 1 và T 3 , T 2 và T 4 bị khoá lại (do thiết bị chuyển mạch thực hiện). Dòng tải i = - I m không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D 5 → E→ D 7 → Z → D 5 và suy giảm dần. D 5 và D 7 dẫn dòng khiến T 1 và T 3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E. Khi t = t 1 , i = 0, D 1 và D 3 bị khoá lại, T 1 và T 3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác động ở các cực điều khiển của T 1 và T 3 , dòng tải i > 0 và tăng trưởng, chảy theo chiều từ A đến B. Giai đoạn từ t = 0 đến t 1 là giai đoạn hoàn năng lượng. Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T 2 và T 4 , T 1 và T 3 bị khoá lại. Dòng tải i chạy qua D 6 và D 8 khiến cho T 2 và T 4 vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t 3 , i = 0, T 2 và T 4 sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theo theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị I m và - I m . Biểu thức của dòng tải i 29 Khi bắt đầu cho xung mở T 1 và T 3 , ta có phương trình: Ldi/dt + Ri = E , (2.7) di/dt + ai = a E/R Dưới dạng toán tử Laplace, ta có: pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp trong đó sơ kiện i(0) = - I m và a = R/L. Do đó ( ) at m at eIe1i R E −− −−= (2.8) Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T 4 ta có phương trình: - Ldi/td – Ri = E Và i = ( ) ( ) m -a t-T/2 -a t-T/2 E 1-e +I e R ⎡⎤ ⎢⎥ ⎣⎦ (2.9) Dòng nguồn Chúng ta quy ước: i s > 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải, tức là khi các transitor dẫn dòng; i s < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi, tức là các điot dẫn dòng. Dòng điện i s là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa. Chất lượng điện áp tải và dòng tải Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ. Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin: u = 4E π (sinωt + 1 3 sin3ωt + 1 5 sin5ωt+ …) (2.10) Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất. Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạch tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau: Z n = () 2 2 R+nωL 30 Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z 5 > Z 3 > Z 1 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 còn bằng 5,4% biên độ của số hạng thứ nhất 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. Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation) Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoay chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đượ c điện áp mà vẫn giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ rộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau: - Tạo một sóng dạng sin, u r , ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn. - Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, u p , ta gọi là sóng mang, có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến. - Dùng một khâu so sánh u r và u p . Các giao điểm của hai sóng này xác định khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất. 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, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E. - Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có tr ị số ± E. Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M, được gọi là tỉ số điều biến, M = A r + A p . Điều chỉnh A r cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. 31 Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều chỉnh A r ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải. a. Điều biến độ rộng xung đơn cực: Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một pha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau: Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực Transitor T 1 được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dương của sóng điều biến u p , còn transitor T 4 trong nửa chu kỳ âm của u r . Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u. Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2 transitor. Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot. 32 Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và một điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn i s = 0. Sóng hài trong điện áp tải Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , 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: U nm = () π 0 2 E α sinθdθ π ∫ (2.11) Khi n = 1, ta có: U 1m = 53 24 1 13 5 4 2 π-απ-α αα π-α αα α π-απ-α 2E sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ +sinθdθ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ = [] 12 34 5 4E cosα -cosα +cosα -cosα +cosα π U 2m ≈ 0 Khi n = 3, ta có: U 3m = () () () ()() 53 1 24 13 5 4 2 3 π-α 3 π-α 3 π-α 3α 3α 3α 3α 3α 3 π-α 3 π -α 2E sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ +sinΩdΩ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ = [] 12 34 5 4E cos3α -cos3α +cos3α -cos3α +cos3α π Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau: U nm = () i-1 1 1 k 4E -1 cosnα nπ ∑ trong đó n = 1, 3, 5, … α 1 là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k. α k là góc trạng thái cuối cùng trước π/2. Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứa các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có: 33 U 3m = () i-1 k i i=1 4E -1 cos3α =0 3π ∑ , U 5m = () i-1 k i i=1 4E -1 cosα =0 5π ∑ , U 7m = () i-1 k i i=1 4E -1 cosα =0 7π ∑ b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực với tải L + R. Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T 1 , T 3 và T 2 , T 4 . Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T 1 , T 3 , hoặc T 2 , T 4 , do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có những khoảng u = 0. Sóng hài trong điện áp tải 34 Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin. Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11): U 1m = 22 2 1 12 2 1 αα π-απ-α π 0 ααπ-απ-α 2E sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ -sinθdθ +sinθdθ π ⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣⎦ ∫∫ ∫ ∫ ∫ [] 12 4E =1-2cosα +2cosα π U 2m = 0 [] 3m 1 2 4E U 1 2cos3 2cos3 3 =−α+α π Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung lưỡng cực: () k i1 nm i i1 4E U121cos n − = ⎡⎤ =−− α ⎢⎥ π ⎣⎦ ∑ khi u bắt đầu bằng một xung dương () k i-1 nm i i=1 4E U = -1+ 2 -1 cosα nπ ⎡⎤ ⎢⎥ ⎣⎦ ∑ khi u bắt đầu bằng một xung âm. Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cần phải có: 1-2cos 3α 1 + 2cos 3α 2 = 0 1-2cos 5α 1 + 2cos 5α 2 = 0 Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α 1 = 23 o 616, α 2 = 33 o 3. Như vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có thể xem: 4E u= sinωt π Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực 35 tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làm việc v ới phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện trong khoá điện t ử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và làm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp tốt hơn trong các hệ th ống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ. Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điệ n áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuy nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Do vậy không thể thực hiện việc truyền năng l ượng đã có vào mạng, và năng lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện. Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4. 36 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía sơ cấp của máy biến áp có tần số f 1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u 2 . Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ C có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f 2 . Tần số f 2 thay đổi phụ thuộc vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định. 2.2 Xây dựng luật điều khiển Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu. Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặp Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạ ch lực của bộ biến tần tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3. . tỉ số điều biến, M = A r + A p . Điều chỉnh A r cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. 31 Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều chỉnh A r ta điều chỉnh. của thiết bị biến tần sẽ cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đượ c điện áp mà vẫn giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ rộng xung đáp ứng. quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình