Chương 1: Tổng quan Chương này tập trung trình bày về vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn của đề tài và bố cục của luận văn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung chương bao gồm lý thuyết về điện tử công suất. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong hệ thống. Giới thiệu phương pháp điều chế rộng xung SinPWM, các mạch của biến tần 3 pha, đóng cắt các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu.
Chương 3: Thiết kế và tính toán Từ cơ sở lý thuyết có được, chương này nhóm sẽ trình bày thiết kế về sơ đồ khối hệ thống, tính toán thiết kế, kết nối từng khối và kết nối hệ thống. Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 18 Chương này trình bày về quá trình tiến hành thi công mạch PCB, bố trí hệ thống, lắp đặt mô hình, trình bày lưu đồ giải thuật, giao diện hệ thống và viết chương trình điều khiển hệ thống, tài liệu hướng dẫn và thao tác. Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá Trình bày kết quả đạt được, đưa ra nhận xét và đánh giá về hệ thống.
Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển Trình bày những kết luận được rút ra trong suốt quá trình thực hiện đề tài cùng với hướng phát triển, cải tiến của đề tài sao cho có tính ứng dụng thực tiễn hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 19 Chương 2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều này thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh được. Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như: điều khiển động cơ, đảo chiều quay, giảm độ rung, tiết kiệm năng lượng, … Biến tần thường được chia làm 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.1 BIẾN TẦN TRỰC TIẾP[1] Hình 2. 1 Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến tần biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều.
Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ tần số lưới (f1<f lưới). Loại biến tần này hiện nay rất ít sử dụng. Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 2. Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được.
Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). 2 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 20 Mỗi một pha đầu ra của biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor. Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận nghịch lần lượt được điều khiển làm theo chu kì nhất định. Trên phụ tải nhận được điện áp xoay chiều U1.
Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển α. Còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu song song ngược. Nếu góc điều khiển α không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mối nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình Sin hơn thì phải liên tục thay đổi góc điều khiển α các van cảu mối sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó chẳng hạn ở nữa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển α từ π/2 giảm dần tới 0, sau đó lại tăng dần α từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình Sin, như trên hình 2.
Trong đó, tại điểm A có α = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại điểm B, C, D, E góc α tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/2 điện áp trung bình là 0. 3 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 21 Hình 2. 4 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp [2] Trên đây đã phân tích đầu ra của một pha biến tần xoay chiều – xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải 3 pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ. Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu 3 pha thì bộ biến tần 3 pha sẽ cần tổng cộng tới 36 thyristor, nếu dùng loại sơ đồ 3 pha, cũng phải dùng tới 18 con thyristor.
Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là có hiệu suất cao hơn các bộ biến tần gián tiếp, điều này có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn. Dạng sóng trên hình 2.4 ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có 4 giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải.
Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 22 2.2 BIẾN TẦN GIÁN TIẾP[1] Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 2. 5 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần cần qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phân làm hai loại: - Biến tần dùng nghịch lưu áp.
- Biến tần dùng nghịch lưu dòng. Biến tần dùng nghịch lưu áp Hình 2. 6 Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu áp[3] Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đâu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt vào bộ nghịch lưu như nguồn áp, cùng với điện cảm L tụ C làm phẳng điện áp chỉnh lưu. Ngoài ra tụ C còn nhiệm vụ trao đổi công suất phản kháng Q giữa tải với bộ nghịch lưu và mạch một chiều, bằng cách cho phép sự thay đổi nhưng trong thời gian ngăn dòng vào của bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu.
Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biến độ rộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode). Do tác dụng của diode ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu luôn luôn dương. Đối với loại này thì yêu cầu của bộ biến tần là năng lượng được truyền tải hai chiều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 23 tức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì bộ chỉnh lưu làm việc được cả bốn góc phần tư. Biến tần dùng nghịch lưu dòng Hình 2.
7 Sơ đồ biến tần nghịch lưu dòng [ 3] Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng như nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưu. Dòng điện trong mạch một chiều được san phẳng bởi L, dòng điện này không thể đảo chiều. Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều công suất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu.2 CÁC KHỐI TRONG BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Hình 2. 8 Cấu trúc của một biến tần [1] Tín hiệu vào có thể là điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha.
Chỉnh lưu có nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ làm phẳng điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp 1 chiều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 24 thành điện áp xoay chiều nhờ vào việc đóng mở khóa các van công suất. Có thể thay đổi tần số.
Điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu gửi đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra còn có một số chức năng khác: - Theo dõi sự cố - Xử lý thông tin - Xác định thời gian (tăng tốc hay giảm tốc),… Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất của mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách li giữa mạch điều khiển và mạch kích để bảo vệ mạch điều khiển.1 Khối chỉnh lưu Khối chỉnh lưu có chức năng biến đổi điện áp AC (xoay chiều) thành điện áp DC (một chiều). Khối này có thể điều chỉnh được hoặc không điều chỉnh.
Chúng ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển cho các bộ biến đổi công suất lớn để bảo vệ hệ thống khi quá tải. Chỉnh lưu tạo ra điện áp hay dòng điện tương đối ổn định. Dưới đây là những cách mắc của mạch chỉnh lưu: Hình 2. 9 Các sơ đồ mạch chỉnh lưu Các dạng sóng điện áp ra ở phụ thuộc về mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp một chiều nào cho phù hợp.
Các dạng sóng như hình 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 25 Hình 2. 10 Các dạng sóng điện áp ra của chỉnh lưu Chỉnh lưu một pha nữa chu kỳ: Dạng sóng ra nhấp nhô, ta cần dùng bộ lọc tốt để ít nhấp nhô. √2 √2 Ud = Uf ,Id = U (1.1) P PR f Chỉnh lưu cầu một pha: sóng ra ít nháp nhô hơn.
Vận hành sẽ đỡ tốn kém hơn.2) P 2√2 Đối với chỉnh lưu hình tia ba pha: Dạng song điện áp ra ít nhấp nhô hơn một pha.3) 2P 2 Chỉnh lưu cầu ba pha: điện áp và dạng sóng tốt hơn chỉnh lưu ba pha hình tia.2 Khối lọc ổn áp Khối lọc làm ổn định và san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.