Điện, điện tử - Biến tần

BIẾN TẦNPGS.TS Nguyễn Tiến BanCƠ SỞ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN( Nhắc lại)ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TẦN SỐXuất xứ vấn đề: Khi thay đổi tần số f tức la thay đổi tốc độ từ trường n1 hay la thay đổi n.Sức điện động ( sđđ) : (M.1) (M. 2) (M. 3) Nếu bỏ qua tổn hao điện áp trên cuộn dây stator U1 thì: 1* Nếu tăng tần số f mà giữ U1 = const thì theo (M5) từ thông  sẽ phải giảm xuống.Mặt khác, moment : (M.3) (M.4) (M.6) (M.5) Như vậy nếu giữ M = const khi  giảm thì phải tăng I2. Mà I2 không thể tăng mãi được vì sẽ cháy cuộn dây stator.!2* Nếu giảm tần số f xuống mà cũng lại vẫn giữa U1= const thì theo (M5) từ thông  sẽ phải tăng lên, dẫn đến là mạch từ sẽ bị bão hòaNhư vậy, muốn thay đổi tần số f thì bắt buộc phải thay đổi điện áp U lưới đặt vào stator của động cơ. Tuy nhiên, thay đổi điện áp theo quy luật nào?Người ta chứng minh được rằng: khi thay đổi tần số dòng điện đặt vào động cơ thì phải giữ:Trong đó số mũ α phụ thuộc vào TÍNH CHẤT CỦA TẢI(M.7) Khi điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp tần số f thì hệ số quá tải  = constNếu gọi fđm là tần số định mức, Uđm là điện áp định mứcf1 là tần số ứng với điện áp U1 MC là moment cản ở tần số định mức và MC1 là moment cản ứng với tần số f1 Mmdm: Moment lớn nhất ở tần số định mức,Mm1: Moment lớn nhất tại tần số f1Hoặc M8M9M10MàThấy rằng : Xng tỷ lệ với f, 0 tỷ lệ với f nên có thể coi: Viết cách khác Trường hợp: MC = K ( trường hợp moment cản cố định, không phụ thuộc vào tần số f)Lúc đó: Đặc tính này chỉ đúng khi tần số ở các giá trị cao lân cận tần số cơ sở, lúc đó có thể bỏ qua r1Tại vùng tần số quá thấp với định mức, điện trở r1 có ý nghĩa so với x1 nên tổn hao trong máy tăng lên, Mmax thay đổiTrường hợp Mc = K.n2Với loại tải này, moment cản Mc tỷ lệ với f2Trường hợp: Tương tự như vậy: vùng điều chỉnh P = ConstBiến đổi tương tự nhận được NHẬN XÉT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP * Có thể điều chỉnh tốc độ lên phía trên hoặc xuống phía dưới tốc độ cơ sở.* Đặc tính cơ cứng,* Dùng máy điện, bộ biến đổi, biến tần.* Có tồn tại tổn hao trong bộ biến đổi.BIẾN TẦN15KHÁI NIỆMBiến tần trực tiếpBiến tần gián tiếpBiến tần nguồn ápBiến tần nguồn dòngBIẾN TẦN TRỰC TIẾP Biến tần trực tiếp19 y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+BIẾN TẦN GIÁN TIẾP y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 4.12: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiềua) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristorb) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện ápc) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWMBIẾN TẦN NGUỒN ÁPBIẾN TẦN NGUỒN DÒNG y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+26CHỈNH LƯU27Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnGiả thiết tải có điện kháng đủ lớn để dòng tải Id có thể coi là liên tục28Nguyên tắc phát xung: Để cấp điện cho tải phải có hai van dẫn, một của nhóm lẻ, một của nhóm chẵn. Như vậy, phải phát xung đồng thời cho hai van.Góc điều khiển van phải như nhau: 1= 2= 3...= .Góc giới hạn giữa dòng liên tục và gián đoạn: th = 60o . Như vậy:+ Nếu   60o quy luật:+ Nếu  > 60o điện áp:29Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng áp nguồn, áp trên tải và dòng trên tải - Góc kích = 15o30Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnQuan hệ giữa điện áp dây đầu vào và điện áp ud đầu ra – Góc kích = 15o31Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng sóng dòng và áp nguồn - Góc kích = 15o32Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng áp nguồn, áp trên tải và dòng trên tải - Góc kích = 60o33Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng sóng dòng và áp nguồn - Góc kích = 60o34Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng áp nguồn, áp trên tải và dòng trên tải - Góc kích = 90o35Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnQuan hệ giữa điện áp dây đầu vào và điện áp ud cửa ra – Góc kích = 90o36Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng sóng dòng và áp nguồn cấp - Góc kích mở = 90o37Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng sóng điện áp nguồn, điện áp trên tải và dòng trên tải Góc kích mở = 135o38Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phầnDạng sóng dòng và áp nguồn - Góc kích = 135o39NGHỊCH LƯUNGHỊCH LƯU PHỤ THUỘCTần số và điện áp phụ thuộc vào lưới công tác.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬPTần số và điện áp do bộ nghịch lưu tạo nên41 y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+ Sơ đồ nguyên lý mạch động lực khối nghịch lưu y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+ Sơ đồ khối mạch khống chế nghịch lưu SPWMy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+ Nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) y1 = y4 = x+y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 4 Thứ tự sắp xếp các xung hình chữ nhật cùng biên độ tương đương với sóng hình sin: a- sóng hình sin; b - đồ thị sóng tương đương của SPWM47NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều.Nghịch lưu nguồn áp có ưu điểm tạo điện áp đầu ra giảm được sóng điều hoà bậc cao ( dù điều chế theo các phương pháp khác nhau)Thiết bị thực hiện phổ biến hiện nay: GTO hoặc IGBT (các loại van điều khiển hoàn toàn)Hiện nay nghịch lưu áp được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp48NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều.Nghịch lưu nguồn áp có ưu điểm tạo điện áp đầu ra giảm được sóng điều hoà bậc cao ( dù điều chế theo các phương pháp khác nhau)Thiết bị thực hiện phổ biến hiện nay: GTO hoặc IGBT (các loại van điều khiển hoàn toàn)Hiện nay nghịch lưu áp được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp49NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA50NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHACấu tạo:Sơ đồ gồm bốn van động lực chủ yếu: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới, tránh được hiện tượng quá áp khi xuất hiện năng lượng ngược từ tải. Tụ Co được mắc song song để đảm bảo cho nguồn đầu vào là hai chiều.Như vậy Co có hai nhiệm vụ: Tiếp nhận công suất kháng của tải và đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp ( Co càng lớn, nội trở nguồn càng nhỏ, điện áp đầu vào càng được san phẳng).5152Hoạt động:Ơ nửa chu kì đầu từ 0 đến t2 cặp T1, T2 dẫn điện, phụ tải nhận điện áp bằng chính SĐĐ nguồn Ut = E. Hướng dòng điện màu đỏ. Tại t = t2, T1 và T2 khoá, T3 và T4 dẫn, tải được cấp nguồn theo chiều ngược lại, điện áp trên tải U = - E ( đảo chiều). Do tải mang tính chất cảm kháng nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ, vi T1, T2 khoá nên dòng khép mạch qua D3, D4. SĐĐ cảm ứng trên tải trở thành nguồn nên thông qua D3, D4 cấp về tụ Co ( đường màu xanh). Tương tự khi khoá T3, T4 dòng sẽ khép qua mạch D1, D2.53Điện áp trên tải khi tính gần đúng ( lấy theo sóng điều hoà cơ bản):Dòng qua tải:Dòng trung bình qua van động lực:Dòng trung bình qua diode:Giá trị tụ Co:Trong đó:54NGHỊCH LƯƯU ĐIỆN ÁP MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘ RỘNG XUNG (PWM)5556NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA57Một số giả thiết khi đọc sơ đồ:+ Các van dẫn là lí tưởng, khi đóng mở nguồn có nội trở nhỏ vô cùng,Dẫn điện theo hai chiều.+ T1...T6 làm việc với độ dẫn điện  = 180o+ Các tổng trở Za = Zb = ZcCác diode D1 – D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồnTụ C tạo nguồn áp, tiếp nhận năng lượng kháng từ tải.5859Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng, luật dẫn điện của các van phải theo đồ thị Slide 16 a,b,c.Như vậy:+ T1 và T4 phải dẫn lệch nhau 180o để tạo ra pha A,+ T3 và T6 phải dẫn lệch nhau 180o để tạo ra pha B,+ T5 và T2phải dẫn lệch nhau 180o để tạo ra pha C,Các pha lệch nhau 120o60Trong khoảng 0  t1: T1, T6, T5 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = E/361Trong khoảng t1  t2: T1, T2, T6 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = 2E/362Trong khoảng t2  t3: T1, T2, T3 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = E/363Giá trị hiệu dụng điện áp pha :Điện áp tức thời:Tụ C:64BỘ NGHỊCH LƯU ĐIỆN ÁP BA PHA ĐIỀU KHIỂN PWM65MỘT SỐ SƠ ĐỒ TIÊU BIỂUHình Cấu tạo biến tần họ FRENICĐIỀU KHIỂN VECTO MẠCH HỞ◘ Tốc độ động cơ gần như không thay đổi trên mỗi đặc tính mặc dù moment cản trên trục động cơ là thay đổi.◘ Trên đặc tính có thể thay đổi tần số một cách vô cấp từ f1 đến f6 bằng cách thay đổi điện áp và tần số sau biến tần cấp cho động cơ◘ Hệ số trượt thay đổi không quá 10% khi moment cản thay đổi trong dải cho phép◘ Điều khiển mạch hở sử dụng quy luật V/f◘ Hệ thống không sử dụng sensor tốc độ◘ Đây là ph/pháp đơn giản nhất phù hợp với các tải không yêu cầu thay đổi nhanh, phản ứng gấp: Hệ Bơm, QuạtCLOSED LOOP SPEED CONTROL SYSTEMHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG KÍN◘ Điều khiển mạch vòng kín, phải sử dụng phản hồi tốc độ - sensor tốc độ để cung cấp thông tin về tốc độ của động cơ tại thời điểm đang hoạt động.◘ Sensor tốc độ có thể sử dụng máy phát tốc ( một chiều, xoay chiều), có thể sử dụng loại từ trở thay đổi Pick Up hoặc máy phát xung PG ◘ Tín hiệu từ máy phát tốc gửi về so sánh với tín hiệu đặt tạo ra tín hiệu điều khiển ◘ Hệ thống điều khiển theo vòng kín hoạt động chính xác với khả năng moment tải thay đổi lớn trong quá trình làm việc. ◘ Trong thực tế được áp dụng trong công nghiệp sản xuất giấy, các máy công cụHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƯỢTMCONVERTERINVERTERU*f*PWMTorqueprocessorThree-pvolagereferenceprocesserU/fpatternAccelerationdeclerationprocessorPGspeedregulatorPrequencysettingPOTCurrentregulatorCurrentregulatorVectorrotatorVectorrotator vectorprocessoriTiMiM*iT*speedregulationMCONVERTERINVERTERPWMPGy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 4.26: Đường đặc tính cơ ở các chế độ điều chế phối hợp điện áp - tần số khác nhau:a) điều khiển U1/1 = const; b) điều khiển Ef/1 = const; c) điều khiển Er/1 = const 4.5. Hệ thống hở điều chỉnh tốc độ sử dụng biến tần giữ U/f không đổi 4.5.1. Hệ thống điều tốc sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 4.27: Hệ thống điều tốc mạch hở sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp-GI- bộ tích phân tín hiệu đặt; GAB - bộ biến đổi vị trị tuyệt đốiĐKKhâu điều chỉnh tần sốKhâu điều chỉnh điện ápLdCducđ+-CLNLGIGABBDutuđk1uabs uiy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.28 Sơ đồ nguyên lý bộ tích phân tín hiệu đặt+-Rv02R0OA2R0++-Rv01R0R1ucđOA1+-Rv03OA32CRP-RR0u1u2uđk-+-y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+U1m-U1mU2m-U2mtttucđu1u1tuđkHình 8.29: Đồ thị điện áp của bộ tích phân tín hiệu đặty0 = 0y0 = xy1 = y4 = x++-Rv01R0R0uđkOA-uabsHình 8.30: Bộ biến đổi giá trị tuyệt đốiD1D2+-y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+RU RI -Từ khâu đo điện áp uuuabs uiTừ khâu đo dòng điện uđkCLHình 8.31: Khâu điều khiển điện áp của hệ thống điều tốc biến tần nguồn ápy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.32: Bộ tạo hàm TH: a) sơ đồ nguyên lý b) đặc tính đầu vào đầu rauabs+-Rv01R0R1uabsOAR0Ubi0i1DRP1RP2UabsminUabsmaxA0Ba)b)Cy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.33: Khâu điều khiển tần số khối nghịch lưu tiristorUFC: Bộ chuyển đổi điện áp tần số; PPX: Bộ phân phối xung; DPI: Bộ nhận biết cực tính; KĐX: bộ khuếch đại xung; RF: Bộ điều chỉnh khối điều chỉnh tần sốuđkRFuabsUFC PPX KĐXDPIT1T6y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.34: Bộ nghịch lưu nguồn áp - động cơ không đồng bộ+T1D1CdT5AD5UdĐKT4CD4T2D2T3D3BT6D6-LdId4.6. Hệ thống kín điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt 4.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+ M®t = CmmI'2cos2 y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Lại vì:Đặt s = s1, đồng thời định nghĩa đó là tần số trượt, thì: 4.6.2. Quy luật điều khiển tần số trượt y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.35: Đặc tính Mđt = f(s) điều khiển theo giá trị m = constsMđtMtMmsmsty0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.36: Đường cong hàm số I1 = f(s), khi duy trì m= constI1I0sy0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+(1) Sử dụng bộ biến tần nguồn dòng, làm cho đối tượng điều khiển có khả năng thích nghi nhanh ở trạng thái động và tiện cho việc hãm tái sinh, đó là cơ sở để nâng cao chất lượng động của hệ thống.(2) Cũng giống như hệ thống điều tốc hai mạch vòng kín của động cơ điện một chiều, mạch vòng ngoài là vòng tốc độ quay, mạch vòng trong là vòng dòng điện. Đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay R là giá trị cho trước của tần số trượt đại diện cho mô men đặt.y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+(3) Tác động điều khiển tần số trượt s được phân ra: tác động vào khối chỉnh lưu có điều khiển CL và vào khối nghịch lưu NL. Tác động thứ nhất thông qua bộ tạo hàm số I1=f(s) TH, với tín hiệu vào là giá trị đặt tần số trượt lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ quay R, trên đầu ra khối TH tạo ra tín hiệutương ứng, tín hiệuso sánh với tín hiệu phản hồi dòng điện ui1, sai lệch tín hiệu dòng thông qua bộ điều chỉnh dòng điện RI cho ra tín hiệu điều khiển dòng điện mạch stator nhằm mục đích duy trì m= const. Một tác động khác: tín hiệu được tổng hợp với tín hiệu tốc độ quay tạo tín hiệu đặt tần số góc mạch stator u1 (1= s*+ ) điều khiển tần số 1 mạch stator tương ứng quyết định tần số đầu ra của bộ nghịch lưu. Như thế đã hình thành được phương pháp điều khiển phối hợp dòng điện - tần số ở mạch vòng ngoài, mạch vòng tốc độ quay.y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+(4) Khi tín hiệu đặt tốc độ quay đều đổi hướng. Dùng bộ nhận biết cực tính DPI phán đoán cực tính của u1 để quyết định thứ tự xung đầu ra của bộ phân phối xung PPX, còn bản thân tín hiệu u1 thì thông qua bộ chuyển đổi trị tuyệt đối GAB quyết định giá trị của tần số đầu ra. Làm như vậy rất thuận lợi để thực hiện việc đảo chiều. 4.6.3. Hệ thống điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+ĐKLd+-CLNLGABBDUUabsHình 8.37: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển tần số trượtRI UiTừ khâu đo dòng điện uđkCLUFCPPXKĐXDPIFT RTH++- -U+U1y0 = 0y0 = xy1 = y4 = x+Hình 8.38: Đặc tính làm việc trên bốn góc phần tư của hệ thống điều khiển tần số trượtABMm1n1n+s1=smMcMđtMt-Mm0S