CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN I. Giới thiệu lịch sử biến tần 1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất. Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tử công nghiệp.
Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử.
Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số. Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất.
Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của các linh kiện. Linh kiện Năm xuất Điện áp Dòng điện Tần số định Công suất Điện áp rơi hiện định mức định mức mức định mức thuận Tiristo(SCR) 1957 6 kV 3,5kA 500Hz 100MW 1.5V Triac 1958 1kV 100A 500 Hz 100kW 1.5±2V GTO 1962 4,5 kV 3kA 2 KHz 10MW 3±4V BJT 1960 1,2 kV 800A 10 Hz 1MW 1.5±3V MOSFET 1976 500V 50A 1 MHz 100KW 3±4V IGBT 1983 1,2kV 400A 20 KHz 100KW 3±4V SIT 1976 1,2kV 300A 100KHz 10KW 2±4V MCT 1988 3kV 3kA 20±100KHz 10MW 1±2V 2. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiện trên thị trường.
Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện. LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH Trang 8 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử.
Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này. Luận chứng kinh tế Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển momen. Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van. Giảm tiếng ồn công nghiệp. Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như: - Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu. - Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì - Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này. Phân loại biến tần.
Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức chuyển đổi tần số là: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp o Nghịch lưu đơn bậc LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH Trang 9 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí o Nghịch lưu đa bậc Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai loại biến tần này, trong phần biến tần đa bậc chúng ta sẽ đi sâu vào phương pháp vector không gian.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian. Vai trò biến tần đa bậc. Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như: Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin.
Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao. Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao. Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)… Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc nhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Ưu điểm của biến tần đa bậc là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần sin hơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao.
Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng chỉ gần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc có tổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp. Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa bậc còn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao, công suất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so với biến tần đơn bậc. Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những đòi hỏi đặt ra. Biến tần trực tiếp 1.
Giới thiệu Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển đổi công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổi công suất khác. Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong thời gian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và công suất còn thấp. Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off thyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công suất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công suất cao. Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi SCR được sản xuất.
Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980. Các tính toán điều khiển cho tất cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi. Biến tần trực tiếp AC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất AC sang một nguồn AC khác. Các cách thường dùng hay các dạng như sau: LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS.
TRẦN VĂN TRINH Trang 10 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 1. Biến đổi điện áp một pha AC/AC 2. Biến đổi điện áp ba pha AC/AC 3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO) 4.
Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO) 5. Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO) 6. Biến tần đường bao ( Matrix).