Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của điện áp không sin đến hệ thống biến tần động cơ

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp không sin đến hệ thống biến tần động cơ, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Văn Ngoạn
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Điện Áp Không Sin Đến Hệ Thống Biến Tần – Động Cơ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ
• 1.1. Khái quát chung
• 1.2. Bộ biến tần gián tiếp
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ
• KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của điện áp không sin đến biến tần động cơ

Nghiên cứu về ảnh hưởng của điện áp không sin đến biến tần động cơ là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Điện áp không sin có thể gây ra nhiều vấn đề cho hệ thống biến tần, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của động cơ. Việc hiểu rõ các tác động này giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của hệ thống truyền động.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm của điện áp không sin

Điện áp không sin là điện áp có dạng sóng không đồng nhất, thường chứa nhiều thành phần hài. Đặc điểm này có thể gây ra hiện tượng quá tải cho biến tần và làm giảm hiệu suất của động cơ.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu ảnh hưởng

Nghiên cứu này không chỉ giúp nhận diện các vấn đề mà còn đưa ra giải pháp cải thiện hiệu suất cho hệ thống biến tần. Việc tối ưu hóa điện áp đầu vào có thể nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức khi sử dụng điện áp không sin

Sử dụng điện áp không sin trong hệ thống biến tần động cơ mang lại nhiều thách thức. Các vấn đề này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị. Việc nhận diện và giải quyết các vấn đề này là rất cần thiết.

2.1. Tác động của sóng hài đến hiệu suất động cơ

Sóng hài trong điện áp không sin có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt và rung động cho động cơ. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn có thể dẫn đến hư hỏng sớm.

2.2. Khó khăn trong điều khiển và bảo trì

Điều khiển biến tần khi sử dụng điện áp không sin thường phức tạp hơn. Các kỹ thuật điều khiển hiện tại có thể không đủ hiệu quả, dẫn đến khó khăn trong việc bảo trì và vận hành.

III. Phương pháp giải quyết vấn đề điện áp không sin

Để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp không sin, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Những giải pháp này giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống biến tần.

3.1. Sử dụng bộ lọc sóng hài

Bộ lọc sóng hài có thể được sử dụng để loại bỏ các thành phần không mong muốn trong điện áp không sin. Điều này giúp cải thiện chất lượng điện năng cung cấp cho động cơ.

3.2. Cải tiến thiết kế biến tần

Thiết kế biến tần có thể được cải tiến để giảm thiểu tác động của điện áp không sin. Việc sử dụng linh kiện chất lượng cao và công nghệ điều khiển tiên tiến là rất quan trọng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của điện áp không sin đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện chất lượng điện năng có thể nâng cao hiệu suất của biến tần động cơ.

4.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc sóng hài có thể giảm thiểu đáng kể các tác động tiêu cực của điện áp không sin. Kết quả thực nghiệm cũng xác nhận điều này.

4.2. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp

Nghiên cứu đã được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất đến tự động hóa. Việc cải thiện hiệu suất của hệ thống biến tần đã mang lại lợi ích kinh tế lớn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của điện áp không sin đến biến tần động cơ là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới và hiệu quả hơn.

5.1. Hướng phát triển tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển công nghệ mới để cải thiện chất lượng điện năng. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến sẽ là chìa khóa cho sự phát triển này.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành

Nghiên cứu liên ngành giữa kỹ thuật điện và các lĩnh vực khác sẽ giúp tạo ra những giải pháp toàn diện hơn cho vấn đề điện áp không sin. Sự hợp tác này sẽ thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và tự động hóa ngày càng phát triển, hệ thống truyền động điện xoay chiều thay đổi tần số (TSTĐ) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Theo ước tính, các hệ thống truyền động điện tiêu thụ tới 2/3 tổng lượng điện năng trong công nghiệp, do đó việc cải thiện chất lượng và hiệu quả hoạt động của hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ là rất quan trọng. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp không sin đến hệ thống biến tần – động cơ, nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất hoạt động của các hệ truyền động trong phạm vi công nghiệp Việt Nam, đặc biệt trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2012.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là xây dựng mô hình toán học hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha, phân tích các yếu tố ảnh hưởng như điện áp không sin, tần số, tải và tần số sóng mang đến hiệu suất và chất lượng hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu có phạm vi tập trung vào các hệ thống biến tần gián tiếp sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc và kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) tại các nhà máy công nghiệp và các ứng dụng truyền động công suất từ vài kW đến vài MW.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành hệ thống biến tần – động cơ hiệu quả, giảm thiểu tổn hao năng lượng và sóng hài, từ đó góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Lý thuyết điều khiển biến tần và động cơ không đồng bộ: Bao gồm các mô hình biến tần gián tiếp, bộ nghịch lưu áp đa bậc (diode kẹp, cascade, tụ thay đổi), kỹ thuật điều biến độ rộng xung (SINPWM, CB-PWM, SVM) và các phương pháp điều khiển vô hướng (U/f) và điều khiển vectơ (tựa theo từ trường rôto và stato). Các khái niệm chính gồm: sóng hài, điện áp không sin, tần số sóng mang, mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha, và trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu.

2. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba pha: Mô hình này mô tả các phương trình điện áp, từ thông, chuyển động và mô men, giúp phân tích ảnh hưởng của các yếu tố điện áp không sin đến hiệu suất và đặc tính vận hành của động cơ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: bộ biến tần gián tiếp, bộ nghịch lưu áp đa bậc, điều biến độ rộng xung (PWM), sóng hài bậc cao, điều khiển vô hướng, điều khiển vectơ, mô hình toán học trạng thái động, và điện áp không sin.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng và phân tích thực nghiệm dựa trên mô hình toán học xây dựng cho hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha. Nguồn dữ liệu chính bao gồm các kết quả mô phỏng điện áp, dòng điện, mô men và tốc độ động cơ dưới các điều kiện điện áp không sin, tần số sóng mang và tải khác nhau.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình động cơ không đồng bộ ba pha với các cấu hình bộ nghịch lưu áp đa bậc (3 bậc, 5 bậc) và các phương pháp điều biến PWM. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các cấu trúc biến tần phổ biến trong công nghiệp nhằm đảm bảo tính đại diện và ứng dụng thực tế.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng các công cụ mô phỏng điện tử công suất và điều khiển số, kết hợp với phân tích định lượng các thành phần sóng hài, hiệu suất động cơ và đặc tính mô men. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của điện áp không sin đến chất lượng điện áp và hiệu suất động cơ: Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp không sin làm tăng đáng kể các thành phần sóng hài bậc cao, gây tổn hao phụ và làm giảm hiệu suất động cơ khoảng 5-8% so với điện áp sin chuẩn. Sóng hài bậc cao cũng làm tăng nhiệt độ động cơ và gây rung động cơ.

2. Tác động của tần số sóng mang trong kỹ thuật PWM: Khi tăng tần số sóng mang từ khoảng 1 kHz lên 5 kHz, lượng sóng hài bậc cao giảm khoảng 30%, cải thiện chất lượng điện áp ra và giảm tổn hao trong động cơ. Tuy nhiên, tần số sóng mang quá cao làm tăng tổn hao đóng ngắt linh kiện bán dẫn, ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị.

3. Ảnh hưởng của tải đến đặc tính vận hành: Dưới tải nặng, điện áp không sin gây ra hiện tượng sụt áp và méo dạng sóng lớn hơn, làm giảm mô men động cơ khoảng 10% so với tải nhẹ. Điều này ảnh hưởng đến khả năng điều khiển tốc độ và mô men chính xác.

4. So sánh các cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc: Bộ nghịch lưu áp năm bậc cho điện áp ra gần dạng sin hơn so với bộ ba bậc, giảm sóng hài bậc thấp khoảng 25%, từ đó giảm tổn hao và tăng tuổi thọ động cơ. Tuy nhiên, cấu trúc năm bậc phức tạp hơn và đòi hỏi điều khiển tinh vi hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do điện áp không sin tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao, làm tăng tổn hao điện và cơ học trong động cơ. Việc sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc và kỹ thuật điều biến PWM với tần số sóng mang phù hợp giúp giảm thiểu sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp và hiệu suất động cơ.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn cấu trúc biến tần và điều khiển sóng mang trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp không sin. Việc mô phỏng chi tiết các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu cũng giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phát sinh sóng hài và cách khắc phục.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ sóng hài, đặc tính mô men – tốc độ dưới các điều kiện điện áp khác nhau, và bảng so sánh hiệu suất động cơ giữa các cấu trúc biến tần. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện khi áp dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc và điều khiển PWM tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc trong hệ thống biến tần công nghiệp: Đề xuất áp dụng bộ nghịch lưu áp năm bậc hoặc cao hơn để giảm sóng hài bậc thấp, nâng cao chất lượng điện áp và tuổi thọ động cơ. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các nhà sản xuất và đơn vị vận hành hệ thống truyền động.

2. Tối ưu hóa tần số sóng mang trong kỹ thuật điều biến PWM: Khuyến nghị lựa chọn tần số sóng mang trong khoảng 3-5 kHz để cân bằng giữa giảm sóng hài và tổn hao đóng ngắt linh kiện. Thực hiện trong giai đoạn bảo trì và nâng cấp thiết bị.

3. Áp dụng hệ thống giám sát và điều khiển điện áp không sin: Triển khai các thiết bị đo và phân tích sóng hài để phát hiện và xử lý kịp thời các hiện tượng điện áp không sin, bảo vệ động cơ và hệ thống biến tần. Chủ thể là các đơn vị vận hành và bảo trì.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật biến tần, điều khiển PWM và xử lý sóng hài nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo dưỡng hệ thống. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các tổ chức đào tạo và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình biến tần – động cơ và các kỹ thuật điều khiển hiện đại, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hệ thống truyền động.

2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy công nghiệp: Hiểu rõ ảnh hưởng của điện áp không sin và các giải pháp khắc phục giúp nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị, giảm chi phí bảo trì.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện – điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về biến tần, động cơ không đồng bộ và kỹ thuật điều khiển.

4. Nhà sản xuất thiết bị biến tần và động cơ điện: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm mới với chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sóng hài.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp không sin là gì và tại sao nó ảnh hưởng đến hệ thống biến tần – động cơ?
   Điện áp không sin là điện áp có dạng sóng bị méo, chứa các thành phần sóng hài bậc cao. Nó làm tăng tổn hao điện và cơ học trong động cơ, gây rung động và giảm tuổi thọ thiết bị. Ví dụ, trong các nhà máy sử dụng nhiều thiết bị điện tử công suất, điện áp không sin thường xuất hiện do méo dạng sóng.

2. Tại sao cần sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc thay vì bộ nghịch lưu hai mức?
   Bộ nghịch lưu áp đa bậc tạo ra điện áp ra gần dạng sin hơn, giảm sóng hài bậc thấp và tổn hao trong động cơ. Điều này giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, đặc biệt trong các ứng dụng công suất lớn.

3. Kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) hoạt động như thế nào?
   PWM điều khiển đóng ngắt các van bán dẫn dựa trên so sánh giữa sóng mang tam giác tần số cao và sóng điều khiển sin, tạo ra điện áp ra có dạng sóng gần sin. Tần số sóng mang ảnh hưởng đến lượng sóng hài và tổn hao đóng ngắt.

4. Ảnh hưởng của tần số sóng mang đến hiệu suất hệ thống ra sao?
   Tăng tần số sóng mang giúp giảm sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng điện áp và hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, tần số quá cao làm tăng tổn hao đóng ngắt linh kiện, ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị.

5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp không sin trong thực tế?
   Có thể áp dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc, tối ưu tần số sóng mang, sử dụng bộ lọc sóng hài và hệ thống giám sát điện áp. Đồng thời, đào tạo nhân viên vận hành để phát hiện và xử lý kịp thời các hiện tượng điện áp không sin.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha, phân tích chi tiết ảnh hưởng của điện áp không sin và các yếu tố liên quan.
• Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp không sin làm giảm hiệu suất và tăng tổn hao trong động cơ, đồng thời sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ thiết bị.
• Bộ nghịch lưu áp đa bậc và kỹ thuật điều biến PWM với tần số sóng mang phù hợp là giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điện áp và hiệu suất hệ thống.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhân lực nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống truyền động.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, mở rộng nghiên cứu về điều khiển vectơ và ứng dụng trong các hệ thống công suất lớn hơn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị sản xuất và vận hành hệ thống biến tần – động cơ nên áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ bền thiết bị, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ 1.1 Khái quát chung Sự phát triển của nền công nghiệp hóa và tự động hoá ở các quốc gia hiện nay đang được các hệ thống truyền động điện (TĐĐ) xoay chiều tần số thay đổi (TSTĐ) tác động đến rất mạnh. Ngày nay, nhờ sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn ( tranzistor MOSFET, IGBT…) và vi mạch sử lý số (DSP), điều chỉnh số (DC) đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi các hệ truyền động điện dùng động cơ xoay chiều và việc hình thành các hệ thống điều khiển mới cho loại động cơ này. Hoà chung vào nền công nghiệp phát triển của thế giới, nền công nghiệp của nước ta đã có những bước phát triển đáng kể, hàng năm sản xuất ra hàng chục ngàn động cơ, chưa tính số nhập khẩu [6]. Vì vậy tiềm năng tiết kiệm năng lượng từ số động cơ này khi áp dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng là rất lớn.

Có thể nói rằng các hệ thống TĐĐ tiêu thụ tới 2/3 tổng lượng điện tiêu thụ trong công nghiệp, vì vậy chúng đóng vài trò then chốt trong việc tiết kiệm năng lượng. Việc tiết kiệm năng lượng sẽ mang lại lợi ích rất lớn không chỉ về mặt kinh tế mà còn có tác dụng bảo vệ môi trường Theo [3], hệ thống TĐĐ xoay chiều đầu tiên (với công suất 400 hp) sử dụng bộ biến đổi tiratron cấp cho động cơ đồng bộ (ĐC ĐB) cực lồi, được lắp đặt năm 1932. Hệ TĐĐ TSTĐ này được lắp đặt nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng. Cùng khoảng thời gian này (1930), ngành đường sắt Đức đã dùng các bộ biến tần trực tiếp hơi thuỷ ngân (mercury-arc cycloconverter) biến đổi 2 50Hz thành 16 3 Hz dùng cho truyền động động cơ xoay chiều dùng trong -3- giao thông.

Mặc dù các hệ thống TĐĐ TSTĐ đã được biết đến từ những năm 1930, nhưng sự ra đời của tiristor hay IGBT và các linh kiện bán dẫn chất lượng cao, các vi mạch điều khiển, các IC chuyên dụng, hoàn thiện các mạch bộ biến đổi, các kỹ thuật điều khiển mới thực sự thúc đẩy mạnh kỹ thuật TĐĐ và sự chấp nhận của thị trường. Mục tiêu là nâng cao hiệu suất, thời gian đáp ứng bằng 0, không có sóng hài với hệ số cos bằng 1, không có tiếng ồn, dải điều chỉnh bằng vô cùng, hoạt động ở nhiệt độ cao, không bị chi phối bởi chất lượng xấu của nguồn lưới, hoạt động không có lỗi, chất lượng ổn định không phụ thuộc vào sự thay đổi thông số và ảnh hưởng của nhiễu tải, tích hợp bộ biến đổi và máy điện thành một đơn vị, và tất cả các yêu cầu trên đang là vấn đề được nghiên cứu và áp dụng. Chúng ta cũng nhận ra rằng, điện tử công suất và hệ thống truyền động điện tần số thay đổi sẽ là kỹ thuật then chốt cho các cuộc chạy đua công nghiệp toàn cầu trong thế kỷ 21 này. Các cấu trúc bộ biến đổi tần số điển hình Trong thực tế sử dụng điện năng, ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, do vậy các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng… Bộ biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều.

Có rất nhiều cấu trúc bộ biến đổi tần số, tuy nhiên ta có thể phân thành 3 cấu trúc điển hình nhất là bộ biến tần trực tiếp, bộ biến tần gián tiếp và bộ biến đổi ma trận. Nói chung các bộ biến đổi đều phải thoả mãn các điều kiện: - Có khả năng điều chỉnh tần số, theo giá trị tốc độ đặt mong muốn - Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số, để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi. -4- - Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Dưới đây ta sẽ lược qua các cấu trúc và đặc điểm của từng cấu trúc đó.

Bộ biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp làm nhiệm vụ biến đổi tần số đầu vào f 1 thành tần số đầu ra f2 bằng cách đóng cắt dòng xoay chiều tần số f 1. Nói chung, tần số và điện áp ra luôn nhỏ hơn tần số và điện áp vào. Năng lượng trao đổi trực tiếp không thông qua khâu trung gian, năng lượng từ tải có thể quay trở về lưới khi một bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc như vậy hiệu suất trong bộ biến tần trực tiếp là rất cao. Theo [2,3], nguyên lý biến tần trực tiếp đã được cấp bằng phát minh từ năm 1920.

Năm 1930 ở Đức đã sử dụng bộ 16 2Hz chỉnh lưu có điều khiển bằng đèn thuỷ ngân để tạo nên tần số dùng 3 trong truyền động động cơ xoay chiều một pha trong giao thông. Đồng thời, trong thời gian này bộ biến tần trực tiếp sử dụng 18 đèn tiratron cung cấp cho động cơ đồng bộ 400 mã lực được sử dụng tại hoa kỳ. Từ khi phát minh ra tiristo, các bộ biến tần công suất lớn điều khiển vi xử lý được sử dụng rộng rãi trong truyền động tốc độ thấp công suất lớn. Thiết bị biến tần trực tiếp về mặt cấu trúc, tuy lược bỏ được thiết bị chỉnh lưu đảo chiều trung gian nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn.

Ngày nay, các bộ biến tần trực tiếp thường chỉ được sử dụng làm bộ biến đổi cho loại tải có tốc độ thấp công suất rất lớn, điển hình như được dùng trong các hệ truyền động động cơ đồng bộ mà yêu cầu thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp như máy cán thép, máy nghiền bi… 1.2 Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi tần số phổ biến nhất hiện nay. Về thực chất, cấu trúc của bộ biến đổi này là sự kết hợp giữa hai bộ biến đổi, bộ -5- chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Như vậy, để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều. Cấu trúc tổng quát chỉ ra trên hình 1.

a Mạch Mạch A lọc b B u2, f2 u1, f1 chỉnh nghịch mạ ch c lưu lưu C Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp có thể được chia ra làm ba loại chính tuỳ thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu (hình 1.2 Sơ đồ khối của các bộ biến tần gián tiếp - Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng điốt (hình 1. Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển có trị số không đổi được lọc nhờ một tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung -6- (PWM), các mạch nghịch lưu bằng các tranzitor (BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng gần sin nhất. - Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển (hình 1.

Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển ( thông thường bằng tiristo hoặc tranzitor), bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ. Điện áp ra có dạng hình xung vuông. - Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng tiristo (hình 1. Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng đủ lớn.

Sau đây ta sẽ xem xét đến từng khối như trong sơ đồ cấu trúc tổng quát (hình 1. * Bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, chỉnh lưu có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển.3 Cấu trúc của một số bộ chỉnh lưu sử dụng cho bộ biến tần gián tiếp; a)Chỉnh lưu dùng điôt; b)Chỉnh lưu dùng Tiristo; c) Chỉnh lưu dùng IGBT (PWM) -7- Hiện nay có 3 cấu trúc của bộ chỉnh lưu thường được sử dụng như trên hình 1. Bộ chỉnh lưu điốt là cấu trúc phổ biến nhất hiện nay (hình 1.3a), và được sử dụng ở dải công suất biến tần trong khoảng dưới chục kW. Bộ chỉnh lưu sử dụng điôt hay Tiristo làm méo dạng sóng của điện áp nguồn.

Hơn nữa với bộ chỉnh lưu Tiristo, hệ số cos tỷ lệ với góc mở của các Tiristo, do đó làm giảm chất lượng của lưới điện. Để khắc phục các nhược điểm đó, người ta sử dụng bộ chỉnh lưu điều biến độ rộng xung (PWM). Bộ chỉnh lưu PWM có ưu điểm là hệ số cos không đổi và gần như bằng 1 trong suốt dải điều chỉnh. Nhược điểm của các cấu trúc bộ chỉnh lưu hình 1.3b là nó chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều từ lưới vào.

Tuy nhiên, nhiều biến tần dùng làm bộ nguồn cho các loại tải có yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới, điển hình như động cơ điện. Khi điều khiển giảm tốc độ động cơ đột ngột, thì động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ hãm tái sinh, như trên hình 1. Cơ năng từ cơ cấu sản xuất sẽ được biến thành điện năng ở đầu cực động cơ. Điện 2 1 năng này qua bộ nghịch lưu sẽ tạo ra điện 3 Vï ng h·m t¸i sinh áp lớn trên tụ lọc.3c đưa ra cấu trúc bộ chỉnh lưu cho phép hoàn trả năng lượng về lưới khi tải động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh.4 Hãm tái sinh khi khi động cơ làm việc ở chế độ động cơ thì giảm tốc độ đột ngột 6 điôt sẽ tạo thành một bộ cầu chỉnh lưu và cấp nguồn một chiều cho phần mạch phía sau.

Khi xảy ra hãm tái sinh, do điện áp trên mạch lọc tăng lên, nên các điốt sẽ bị khóa lại, và mạch điều khiển nghịch lưu sẽ mở các van IGBT theo một trình tự nhất định để thực hiện hoàn trả năng lượng về nguồn lưới. * Bộ lọc -8- Có hai vị trí trong một bộ biến tần gián tiếp cần bộ lọc là sau chỉnh lưu và sau nghịch lưu. + Bộ lọc san phẳng điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Đầu ra của bộ chỉnh lưu là điện áp một chiều, với các chỏm hình sin nhấp nhô. Bộ lọc có tác dụng san phẳng các đỉnh sin này trong điện áp và dòng điện chỉnh lưu.