Trang
25




Chơng III
TổNG QUAN Về CáC LOạI
BIếN TầN



Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi
dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số
khác mà có thể thay đổi đợc.
Đối với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có thể thay đổi cả điện
áp ra khác với điện áp lới cấp vào bộ biến tần.
I. PHÂN LOạI BIếN TầN :
Bộ biến tần đợc chia làm hai nhóm:
+ Biến tần máy điện.
+ Biến tần van.
1. Biến tần máy điện:



Trang
26
nguyên lý chung của loại biến tần này là dùng máy điện xoay chiều làm

nguồn điện có tần số biến đổi.

2
=
V
f
1
=
const
~
F
F

~
f
1
=
const

K1
CKF
CK
U
1
BTK
f
1
=
Var
1

0
20
ff
r



=
Hỗnh 3.1. Sồ õọử nguyón lyù bọỹ bióỳn tỏửn maùy
õióỷn

Dấu (+) ứn
g với trờng hợp rôto BTK quay ngợc chiều từ trờng.
Lúc này f
r
> f
1
.
Dấu (-) ứng với trờng hợp rôto BTK
quay cùng chiều từ trờng.
Lúc này f
r
< f
1
.
Khi rôto đứng yên thì f
r
= f
1
.

Nhờ thay đổi tốc độ
2
ta có thể thay đổi tần số ra.
Việc sử dụng cũng nh điều khiển loại này rất phức tạp vì phải sử dụng
nhiều máy điện, diện tích lắp đặt lớn, hiệu suất làm việc thấp, gây ồn,
nền móng phải kiên cố nên giá thành cao.
2. Biến tần van:
Nguyên lý làm việc của biến tần van là dùng các tín hiệu điều khiển để
đóng mở các van ( ở đây thờng là tiristor hay transisto ) biến đổi năng


Trang
27
lợng điện xoay chiều ở tần số này thành năng lợng điện xoay chiều có
tần số khác. Biến tần van đợc chia làm 2 loại :
+ Biến tần trực tiếp.
+ Biến tần gián tiếp.
Biến tần van đợc ứng dụng rộng rãi vì có nhiều u điểm nh: kích thớc
nhỏ nhẹ, không gây ồn, hệ số khuếch đại công suất lớn, hiệu suất cao.
II. GIớI THIệU Về BIếN TầN VAN :
1. Biến tần trực tiếp:
Thiết bị biến tần trực tiếp là loại biến tần có tần số vào f
1
đợc biến đổi
thành tần số f
2
một cách trực tiếp không phải qua khâu trung gian f
2
= (0
ữ0,5)f

1
, thờng dùng cho truyền động có công suất lớn, tốc độ làm việc
thấp.
Để đơn giản trớc hết ta phân tích sơ đồ mạch lực của biến tần một pha:


Maỷch
van
U~
U~
f
1

Hỗnh 3.2. Sồ õọử khọỳi vaỡ sồ õọử nguyón lyù
ma vanỷch lổỷc bọỹ bióỳn tỏửn
Z
t
L
cb
L
cb
N
P





Trang
28

Các nhóm van P, N có thể đợc điều khiển riêng hoặc chung. Khi điều
khiển riêng thì không cần cuộn kháng cân bằng. Khi điều khiển chung
thì cuộn kháng cân bằng
dùng để hạn chế dòng điện
cân bằng xuất hiện do sự
chênh lệch điện áp tức thời
lúc đóng nhóm này mở
nhóm kia mà quá trình quá
độ không xảy ra tức thời.
Nhóm van P tạo nửa
chu kỳ dơng của điện áp
tải, nhóm van N tạo nửa
chu kỳ âm của điện áp tải.
Trong mạch điều khiển,
ngời ta sử dụng dấu của dòng điện tải để quyết định nhóm van nào phải
làm việc. Khi một nhóm van đã đợc chỉ định làm việc thì nó làm việc ở
chế độ chỉnh lu và chế độ nghịch lu phụ thuộc.
U,I
t
4
t
t
3
t
2
t
1
t
0
I

U
Nhoùm
N
Nhoùm
P
Hỗnh 3.3. Caùc giai õoaỷn laỡm vióỷc cuùa
caùc nhoùm van bọỹ bióỳn tỏửn trổỷc

tióỳp.
CL
CL
Thời điểm phát xung mở cho các Thyristor trong mỗi nhóm phải có phân
bố sao cho điện áp trên tải là phần hình sin nhất và giá trị trung bình của
điện áp đầu ra luôn tơng thích với giá trị tức thời của điện áp mong
muốn (U=U
m
sin
2
t ).
Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ta dùng bộ biến tần ba pha
gồm ba bộ biến đổi song song ngợcSơ đồ biến tần trực tiếp có u điểm
là hiệu suất cao không dùng tụ chuyển mạch.
Z
c

Z
b
Z
a


Hỗnh 3.4. Sồ õọử nguyón lyù maỷch lổỷc bọỹ bióỳn tỏửn trổỷc tióỳp ba pha cho
õọỹng cồ õióỷn xoay chióửu ba pha


Trang
29
Nhợc điểm của sơ đồ là gam tần số hẹp f
2
< 20Hz, phải dùng nhiều
Thyristor và nhạy cảm với biến động của lới điện.
2. Biến tần gián tiếp:
Sơ đồ cấu trúc của mạch:

Nghởch
lổu
Loỹ
c
Chốnh
lổu
f1

f1
~


,u1

=

=

f2

,
f2
u2
~








Hình 3.5 : Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên đợc chuyển thành một
chiều nhờ mạch chỉnh lu, qua bộ lọc rồi mới biến trở lại điện áp xoay
chiều với tần số f2. Điện áp đầu ra đợc điều chỉnh nhờ sự thay đổi góc
thông của các van trong nhóm chỉnh lu hoặc điều chế độ rộng xung.
Việc phải biến đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần song
bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f
2
không phụ
thuộc f
1
mà nó chỉ phụ thuộc mạch điều khiển.
Bộ biến tần gián tiếp nh đã nêu ở trên có sơ đồ chức năng nh
hình sau :


~

u
1
,f
1
Chốnh
lổu
F

K
~

u
2
,f
2
Điều khiển
Nghởch
lổu
Loỹ
c











Trang
30


Hình 3.6 : Sơ đồ chức năng bộ biến tần gián tiếp.

Tùy theo tính chất của bộ chỉnh lu và dạng tín hiệu đầu ra mà bộ biến
tần độc lập lại đợc chia ra làm 2 loại :
*Bộ biến tần nguồn áp (hay là bộ nghịch lu nguồn áp)
*Bộ biến tần nguồn dòng (hay là bộ nghịch lu nguồn dòng )



III. CáC PHƯƠNG PHáP BIếN TầN GIáN TIếP :
A. Bộ NGHịCH LƯU DòNG :
1. Bộ nghịch lu dòng một pha:
Bộ nghịch lu nguồn dòng thờng dùng cho các hệ thống công suất lớn,
trong đó các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn khi tải mang tính cảm
kháng thì cần các Diod tạo thành cầu ngợc để cho dòng điện phản
kháng đi qua khi dấu của dòng tải ngợc với điện áp cuộn dây L
d
có điện
i
d
L
d
+




-
T
3
T
2
T
4
T
1
D
4
D
1
D
2
D
3
I
i
t
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lu dòng một
pha và dạng dòng tải


Trang
31
cảm lớn để san bằng dòng chỉnh lu và lọc các thành phần sóng hài bậc
cao.

L
d
Hoạt động sơ đồ:
Giả sử T
2
và T ang dẫn dòng chảy từ B sang A.
4
đ
Tại t = 0 cho mở T
1
và T
3
thì T
2
và T
4
bị khóa bởi thiết bị chuyển mạch.
Vì dòng không thể thay đổi đột ngột nên dòng vẫn chảy theo chiều cũ.
D
1
và D
3
dẫn, T
1
và T
3
vẫn bị khóa.
Từ t
1
ữt

2
thì T
1
và T
3
dẫn nếu còn xung điều khiển.
Từ t
2
ữt
4
cho xung mở T
2
và T
4
, T
1
, T
3
bị khóa nhng từ t
2
ữt
3
thì D
2
, D
4

dẫn còn t
3
ữt

4
thì T
2
, T
4
mới dẫn dòng điện áp ra trên tải có dạng sin chữ
nhật "Sinus" nó là hàm lẻ chu kỳ...
2. Bộ nghịch lu dòng ba pha:
Khối nghịch lu dòng dùng để biến đổi dòng điện một chiều sau bộ
lọc thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ
ba pha . Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh thì nghịch lu
dòng thờng dùng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba
pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn . ở đây ta
dùng các tiristor . Nguồn điện một chiều U
d
thông qua cuộn dây có điện
cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng I
d
.
i
d
+
E
T
1
T
3
T
Trong cầu biến tần , mỗi tiristor đợc nối thêm một diode , gọi là diode
chặn. Các tiristor đợc điều khiển mở theo trình tự : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, ...












T
4
T
6
T
D
1

D D
D
4
D
6

D
R
S
T
C

1

C
2
C
3
C
4
C
5
C
6
-
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn dòng 3 pha

A


Trang
32
























H×nh 3.9 S¬ ®å ph©n phèi xung cho c¸c Thyristor










Trang
33

Tại bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn , chỉ có hai tiristor dẫn
dòng . Dòng điện tải có dạng sóng gần sin chữ nhật gồm hai khối. Các
khối cách nhau một khoảng , trờng hợp lý tởng , bằng /3, trong

khoảng này dòng điện pha tải bằng 0.
Các pha stator của động cơ lần lợt nhận các dòng điện sin chữ nhật
lệch nhau góc 2 /3 , tạo ra từ trờng quay mà tốc độ của nó quyết định
bởi nhịp điệu cấp xung điều khiển cầu biến tần. Động cơ điện sản sinh ra
ở các pha các sức điện động tơng ứng

tsinU2u
R
=









=
3
2
2


tsinUu
S










=
3
4
2


tsinUu
T


Hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha:
Nguồn cung cấp cho nghịch lu là nguồn dòng điện, nguồn điện một
chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải. Để thực hiện đợc điều này
thờng thì điện cảm Ld phải có giá trị đủ lớn và phải sử dụng các mạch
vòng điều chỉnh dòng điện . Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật và do
trình tự đóng cắt của các van từ T
1
đến T
6
quyết định.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:
3
2
ds
II =



Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích
Fourie là:

6
1 ds
II =

Từ đây ta suy ra:


Trang
34
1
1
cos
63


d
s
U
U =


Khi nghịch lu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều
thì trên đồ thị điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm
chuyển mạch dòng điện giữa các pha.
Trong thực tế kỹ thuật thờng dùng các van điều khiển không hoàn toàn

vì vậy cần có các mạch khóa cỡng bức các van đang dẫn , đảm bảo
chuyển mạch giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh
tần số và dòng điện đủ rộng .
Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T
1
ữT
6
còn sử dụng các diode
cách ly hay diode chặn từ D
1
ữ D
6
nhằm để cách ly giữa các tụ điện
chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để
chúng không tạo thành mạch cộng hởng làm ảnh hởng đến quá trình
chuyển mạch .
Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha này ta xét quá trình
chuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R .