Cong suất may biến ap

Công suất máy biến áp (3.14) 5niax = ^/3.prfnm cos^a=l Hệ số đập mạch của sơ đồ (3.15) kdm -5,7% Điện áp ở đầu ra của biến tần là những xung áp có độ rộng thay đổi theo phương pháp biến điệu bề rộng xung, chứa chủ yếu là thành phần sóng hài cơ bản. Trên những phụ tài mang tính cảm, như cuộn dây của động cơ xoay chiều, điện áp này tạo nên dòng điện rất gần hình sin. Tuy vậy những xung áp có độ rộng ngắn có giá trị dư/dt lớn có thê gây hỏng cách điện của các động cơ. Đây là điều cần lưu ý, nhât là với những động cơ công suất iớn khi thành phần điện trờ của cuộn dáy rắt nhỏ. Trong nhửng trường hợp cản thiết có thể phải dùng những mạch lọc LC đơn giàn, kích thước nhỏ để tạo ra điện áp hình sin tuyệt đối. Vì sử dụng chỉnh lưu không điều khiển phía đầu vào nên hệ sô công suât của sơ đô cao, không phụ thuộc vào phụ tài. Tuy nhiên ở thời điềm đóng điện ban đầu, dòng nạp cho tụ một chiều có thề có giá trị quá lớn, làm hòng các điot đầu vào. Dòng nạp cho tụ khởi động phâi được hạn chế, bàng một trong các phương pháp như sau: -r~T- ■¡88 H —¿vJ •« 1 s =3fc=jga=3 ¿TTTĨ K A n :c A ít c /V n c Ạ Ạ Ạ {«> —1-1-1' ¡115 ỊSỉ tỉi ÌX>J n?CT-v\ 7CT* rịị 4 <<*> Hìnli 3.8. Các biện pháp hạn chế dòng nạp cho tụ một chiều lúc khởi động. (a )Dùng điện trờ nối tiếp với tụ;(b) Dùng điện trở nối tiếp với mạch xoay chiều đầu vào; (c) Dùng cầu chỉnh lưu bán điều khiển; (d) Dùng cầu chỉnh lưu tiristo. Các biện pháp như trên được áp dụng cho các dải công suất từ nhỏ đến lớn theo thứ tự từ (a) đến (d). Vói công suất rất lớn việc dùng tiếp điềm công-tãc-tơ đề loại bỏ điện trở khởi động không thể áp dụng được mà phải dùng đến mạch không tiếp điềm dùng Tiristo. Sau khi khỏi động xong các cầu chỉnh lưu sẽ làm việc ờ góc điều khiển bằng 0, giống như cầu điot đề đảm bảo hệ số công suất của sơ đô. a Biến tần nguồn áp ì chiều đầu vào không điểu chỉnh, nghịch lưu p WM. Phương pháp biến điệu bề rộng xung có nhiều dạng, trong đó ta xét hai dạng cơ bản sau: + Nghịch lưu PWM đơn cực + Nghịch lưu PWM lưỡng cực Hai phương pháp trên có những ưu điềm và nhược điêm nhât định, đê lựu chọn được một phương pháp PWM thích hợp ta phải tiên hanh phân tích ưu nhược điêm cùa từng loại. Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số của điện áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tân sô cao.Trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn điện áp răng cưa van được mở để đưa điện áp ra tải, trong những khoảng thời gian điện áp sin cliuần thấp hơn điện áp răng cưa van khóa lại để điện áp ra trên tải bằng không. Điện áp sẽ được tao ra riêng cho nừa chu kỳ dương và âm.  Phuo-ng pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực Hình 3.10. Nguyên lí và dạng điện áp của PWM lưỡng cực Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tằn số của điện áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tẩn số cao. Điện áp ra sẽ là +E khi sin chuẩn cao hơn xung răng cưa và là -E khi sin chuẩn thắp hơn xung răng cưa. So sánh hai phương pháp nghịch lưu Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu PWM cơ bản. về cấu trúc mạch động lực của hai phương pháp không có gì khác nhau, mà chi khác nhau về nguyên tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn. Hai phương pháp trên có chứa những ưu điềm và nhược điêm nhât định. Phương pháp PWM đơn cục ưu điểm: + Mạch điều khiển đơn giản do không có phần điện áp âm trong thành phần điện áp các pha. + Số lượng chuyền mạch của van dẫn ít, do vậy tồn hao chuyền mạch thấp. Nhược điểm: I Điện áp ra có biên độ không cao, biên độ của điện áp điều biến là Ưd/2. Khi tài có yêu cầu điện áp lớn hơn ưd/2 thì phương pháp này không đáp ứng được. + Khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận 0 thì khó có thể đáp ứng được do khả năng chuyển mạch của van dẫn. Phương pháp PWM lưỡng cực ưu điểm: + Điện áp ra có biên dộ lớn, biên độ của điện áp điều biến là Ưd, kliông phụ thuộc vào tải. + Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ, do có phần điện áp xung âm trong thành phân điện áp pha nen có thể điều khiển điện áp pha về 0 mà vẫn đảm bảo điều kiện chuyển mạch của van dẫn. + Khả năng đáp ứng cao về ồn định dòng điện cũng như tần số. Do có phần điện áp âm trong điều biến điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện tốt hơn. Nhược điểm: Nhược điềm lớn nhất của nghịch lưu PWM lường cực là sự phức tạp của mạch điều khiển do phải phối họp đóng cắt của các van dẫn. Do có những ưu điểm vượt trội như vậy mà ngày nay người ta hay sử dụng phương pháp biến điệu bề rộng xung hai cực tính để điều khiển biến tần. Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu cụ thể biến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chinh sử dụng phương pháp điều khiên PWM lưỡng cực. Trong phạm vi đồ án ta thiết kế biến tần điều khiển theo phương pháp biến điệu bề rộng xung có các thông số đầu ra nhu sau để có thể thỏa mãn điều khiên tài là động cơ thang mảy chờ người: + Điện áp của nguồn nuôi: Ba pha 380V/50Hz. + Tần số điện áp ra: 20 - 200 Hz. + Độ ổn định tần số điện áp ra: 5%. + Điện áp ra thay đồi từ 150V đến 500V. Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu cụ thề biến tần nguồn áp với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chinh sử dụng phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực. Biến tần nguồn áp vói nguồn 1 chiều đầu vào không điều chỉnh sử dụng phư<mg pháp điều khiển PWM lưõ*ng cực Đầu tiên ta làm quen với hai thông số quan trọng trong nghiên cứu phương pháp: Hệ số điều biến tần số Hệ số điều biến tần số là ti số giữa tần số sóng mang và tần số sóng điều biến. / (3.16) Trong đỏ: fs là tần số chuyền mạch F là tần số ra của nghịch lưu Hệ số điều biến tần số có ý nghĩa rất quan trọng trong phương pháp nghịch lưu PWM. Việc chọn hệ số điều biến sẽ quyết định chất lượng và giá thành của bộ nghịch lưu. Các cơ sở để chọn hệ số điều biến: Như đã biết các thành phần sóng hài bậc cao tồn tại trong một dải xung quanh tần số chuyển mạch và bội số của nó: Iĩif, 2nift3nif... ứng với ma= 0 —> 1. Với mf < 9 ( trừ trường hợp công suất rất lớn), các biên độ thành phần sóng hài hầu như độc lập với hệ số điều biến tần số. về lý thuyết, sóng hài bậc cao sẽ xuất hiện ở tần số: Ịgn ; “ Fh = (jnif ± k)f| Trong đó: J là bội số cua hệ số điều biến tần số, k ỉà số thứ tự trong dải Tần số ứng với bội số cùa hệ sô điêu biên tân số nif; lì là bậc của sóng hài bậc cao: h=jnif±k (3.17) Giá trị h = 1 tương ứng với tấn số cơ bản (f|). Với j ỉả các số lẻ, sóng hài chỉ xuất hiện ứng với các giá trị k chẵn và với j là chẵn, sóng hài sẽ chi xuất hiện với k lẻ. Khi Iĩif là số lè, các thành phần sóng hài bậc chẵn sẽ không tồn tại và các hệ số của hàm cos sẽ bằng không. Lựa chọn tần số chuyển mạch và hệ số điều biến tần số: để giảm thành phần sóng hài bậc cao(do đó giảm kích thước, giá thành bộ lọc) tần số chuyền mạch nên chọn trị số lớn. Tuy nhiên tồn hao do chuyền mạch của nghịch lưu sẽ tăng ti lệ với tần số chuyển mạch. Đa số các hệ truyền động áp dụng trong thực tế, tần số chuyền mạch được thiết kế nhỏ hơn 6 kHz hoặc lớn hơn 20 kHz: ở các hệ thống truyền động có tằn số chuyền mạch tối ưu nằm trong giới hạn 6-20 kHz, ở dài tần số chuyền mạch 20 kHz “ hiệu suất thấp sẽ được bù lại bằng ưu thế không có nhiều” Do đó, ờ các hệ thống truyền động động cơ xoay chiều tần số 50 - 60 Hz, tần số cơ bản điện áp ra nghich lưu cần thiết đến trị số 200 Hz; hệ số điều biến tằn số có thể là 9 hoặc nhò hơn tương ứng VỚI tần số chuyển mạch 2 kHz. Ngược lại có thề lớn hơn 100 khi tẩn số chuyền mạch cao hơn 20 kHz. Do đó áp dụng cho bộ nghịch lưu trong đồ án này em sẽ chọn hệ số mf= 39. Khi đó tần số chuyền mạch lớn nliất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là: ^=200.39=7800 Hz Tần số chuyển mạch nhỏ nhất của van bán dân trong bộ nghịch lưu: Fmin=20.39=780 Hz Hệ số biến điệu biên độ Hệ số biên điệu biên độ là tỷ số giữa điện áp sóng điều biến và điện áp sóng mang. m (3.18) * Uxm xm Trong đó ơrfjb>| : biên độ điện áp sóng điều biến ưxm : biên độ điện áp sóng mang Hệ số điều biến biên độ là một đại lượng quan trọng, đại lượng này quyết định điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu. Hệ số điều biến biên độ là một đại lượng thay đồi trong quá trình vận hành của bộ nghịch lưu. Khoảng giá trị của hệ số điểu biến biên độ được chia làm hai phần: + Khoảng thứ nhất m < 1 : khoảng này được gọi là khoảng điều khiển tuyến tính của bộ nghịch lưu. Khi điều khiền trong khoảng này tlù điện áp ra được điều khiển tuyến tính. + Khoảng thứ hai ma>\: khoảng này được gọi là khoảng điều khiển phi tuyến. Khi điều khiển trong khoàng này thi điện áp ra tỉ lệ phi tuyến với điện áp điều khiển. Hai khoảng điều khiển trên có những ưu nhược điềm nhất định. Trong khoảng điều khiển tuyến tính thi điện áp ra gần điện áp hình sin hơn thành phần sóng hài được lọc tốt hơn nhưng đồi lại tồn hao trong bộ nghịch lưu tăng do van bán dẫn phải chuyển mạch nhiêu lần trong một chu kì. Và khi điều khiển trong khoảng tuyến tính thì điện áp và công suất ra không thể đạt giá trị lớn. Trong khoảng điều khiển phì tuyến thi có thể cho ra ờ đầu ra một điện áp lớn hơn khi cùng một giá trị điện áp đầu vào như chế độ điều khiển tuyến tính, nliimg bù lại thì trong thành phần điện áp ra chứa nhiều thành phần sóng hài do chuyền mạch được thục hiện phần lớn ở chế độ xung vuông. Chế độ điều khiển phi tuyến chỉ được thực hiện khi yêu cầu công suất đầu ra tương đối lớn và thường dùng cấp cho động cơ đồng bộ. Trong bộ nghịch lưu ra chọn hệ số điều biến biên độ ma<l. Điều đó có nghĩa là ta điều khiến bộ nghịch lưu theo phương pháp tuyến tính: vU U-- - % Hìnli 3 11. Phổ biên độ các thành phần sóng hài a, m < 1 b, ma > 1 Phân tích điện áp đầu ra khỉ ma<l Trong một chu kì tấn số sóng mang, điện áp sóng điều biến u<jk biến đồi rất chậm nên ta coi nliư điện áp đó không đồi trong một chu kì tần số sóng mang. Trị số trung bình của điện áp một pha đầu ra có thể tính theo công thức. ¡¡¡¡I» (3.19) Xịh Trong công thức trên: + UA0: điện áp của pha A so với điềm trung tính (điềm trung tính được qui ước là điểm giữa hai tụ lọc nguồn) +Udk : điện áp tức thời của điện áp điều biến. +ơ : biên độ điên áp điều biến .im I • I * + ưd : giá trị điện áp một chiều nguồn cung cấp cho mạch nghịch lưu. Công thức trên chi được sử dùng trong trường hợp điều khiển trong phần tuyến tính (ma<l), còn khi không tuyến tính (ma>l) thì công thức trên không còn chính xác nữa. Điện áp điều biến được đưa vào mạch điều khiển là một điện áp hình sin chuẩn có tần số là tần số mong muốn của điện áp đầu ra. Tằn số đó có giá trị fx — 0)l / 2tc và điện áp sóng điều biến là: üfc SifiHi sin:öV điều kiện ¡¡I < um Trị số sóng điện áp sóng cơ bản đầu ra có thế tính theo công thức: mm 11 2l xm Biên độ điện áp sóng cơ bản đầu ra: {UAOn\=m^ (3.21) Ta thấy rằng điện áp sóng cơ bản tỉ lệ tuyến tính với hệ số điều biến biên độ, chính vì vậy dải điều biến ma<l được gọi là dải điều khiển tuyến tính của bộ nghịch lưu. Điện áp dây của sóng điện áp cơ bản: (£/, A ='jịJ3(u .A = \l3.m .sín(ft)./).— (3.22) V AẸy1 * V ÀO*l ’ ^ u ' i ' 2 Biên độ điện áp dây tần số cơ bàn: Trị số điện áp hiệu dụng điện áp sóng cơ bàn đẩu ra: ếrmm-u‘ B • JJ. Đặt 1 = —r=-m ta có bảng giá trị các giá trị ma và các sóng hài như sau: 2v2 • Bảng 3.1. Thành phần sóng hài trong điện áp dây 0,2 0.4 0.6 0.8 1.0 1 Mi 1 0,122 0,245 0.367 0,490 0,612 39±2 0,101 0,037 0,080 0,135 0,195 -6 0 0 0,005 0,011 39±4 2.39 ± 1 0,116 0,200 0,227 0,192 0,111 0 0 0 0,008 0020 2.39±5 w 3.39 + 2 0,027 0,085 0,124 1 0,007 0,029 0,064 0,096 3.39 ±4 4.39± 1 0,100 0 0,096 0 0*021 0,051 0073 4.39 ±5 0 0 0 0,010 0,030 4.39 ±7 Đối với PWM, luật điều khiển tối ưu được thực hiện như sau: Các van trong cùng một nhóm sẽ được mờ cùng một lúc ở thời điềm ban đầu của chu kỳ Ts. Nhưng các van sẽ được đóng lại ở những thời điểm khác nhau tương ứng với luật điều biến (tương ứng với độ rộng Aty và Au )• Ngoài ra chu kỳ của tần số chuyền mạch là như nhau đối với tất cà các pha. Điều này đảm bảo ữong mỗi chu kỳ tần số chuyến mạch luôn có những đoạn mà điện áp ra bằng kliông. Do đỏ dạng điện áp ra sẽ không phụ thuộc vào đặc tính của tải và các sóng điều hòa bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch sẽ không tồn tại trong điện áp ra cùa nghịch lưu. Đồ thị điện áp nghịch lưu ba pha được mô tả ừên hỉnh 3.12. Đồ thị được xây dựng với ma=12. • I rx mnn7 □ .c Hình 3.12. Dạng tín hiệu điều kliiền các van và điện áp ra nghịch lưu Tính toán chọn các van trong nghich lưu Để lựa chọn các van động lực cúng như các van điot, cần xác định giá trị trung bình của dòng qua van và điện áp lớn nhất đặt lên van. Kill thực hiện phương pháp PWM, dòng qua van động lực (iT) và qua điot (iD) Ia tập hợp các xung có độ rộng khác nhau. Nếu = 772.0 giá trị tức thời của dòng tải ở đầu chu kỳ thứ n (chu kỳ tân sô mang) se la Jxin (3.25) .+ _ , . 271 V = !... sin—w Hl III m Giá trị tức thời của dòng tài ở thời điềm khóa van động lực ứng với chu kỳ thứ n là (3.26) ■1 ' sin(— n I QA//(1 ) m At - thời gian van động lực dẫn điện ở chu kỳ thứ n Theo luật điều biến ta có  í 2k (3.27) 1 + m. sin ;i + (p T At,.. ü¡ 7« m Giá trị trung bình qua van động lực ờ chu kỳ thứ n là (3.28) i = in + c Và dòng tnmg bình qua và động lực trong một chu kỳ điện áp ra là 1 /n/2-1 T W/2-1 H = j E sin -Í I,=õ /1=0 271/7 71 EB + (p m 2 m m y (3.29) 2n —+ (p m 2tĩ/z 1 + M. sin 1 + sin .COS + <p 2m m Thông thường tằn số mang lớn hơn nhiều so với tần số ra nên có thề cho ra = 00 và biểu thức trên được rút gọn thành I * ■ - - - f sinfì/f 1 + 772 sin fì/ + (p 1 .dQí 22n ị 1 J (3.30) (3.31) 22n Và tiếp tỊic ríit gọn lại thànlì ĩ Jìí TI IT=—(\ + —£— COS cp) 271 4 Nếu m = 6 thì sai số của công thức (3.31) là 6%. m Dòng trung bình qua van sẽ lớn nhất ứng với tần số thấp là (3.32) (3.33) IT=L(l + ,nu) Tương tự ta có dòng qua điot là 1 * In= — [ỉ sin QtAí^dQí D 2nị (3.34) (3.35) Giá ứị cực đại của dòng qua điot la / ỉo=j 1-«. Điện áp cực đại đặt lên van và lên điot là: ^tlivraax ^ngDmax \ Giá trị điện áp nguôn là  (3.36) ttằ 2V2u E = m. ưhd - giá trị hiệu dụng điện áp pha trên tải E = Hoặc (3.37) anuLx Hệ số sử dụng điện áp một chiều K = -y= —0.612 Nhận xét uu nhược điềm của phưưngpháp: ưu điểm: 1 Hệ số công suất cao hơn so với sơ đồ chinh lưu có điều khiển I Dòng điện và nguồn áp sin hơn so với sơ đồ chinh lưu có điều khiển I Lọc đơn gián, gọn nhẹ hơn Nhược điểm: Khó khăn trong việc tạo ra ba sóng sin chủ đạo có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau 120°. Tần số chuyền mạch tăng làm cho tồn hao công suất tăng lên, hệ thống điều khiển trở nên phức tạp hon. Không sừ dụng hết khả năng của điện áp một chiều. Hệ số sừ dụng điện áp một chiều K =0.612 < 1. Đáp ứng của mạch nghịch lưu không đủ nhanh trong một số trường hợp cần đáp ứng nhanh. b, Biến tần với nguồn 1 chiều đầu vào không điều chỉnh, nghịch lưu theo phương pháp điều chế vector không gian (SVM) Giói thiệu vê vector không gian Máy điện xoay chiều có ba cuộn dây trong không gian. Các trục của cuộn dây được đặt lệch nhau một góc 120° và được mô tả bởi các vector 1. a và a2 với a = exp(j2ĩt/3). Dòng điện trong các cuộn dây tương ứng là ism ĩsbỊ isc sẽ được biêu diên bời một vector duy nhất gọi là vector không gian /„ vì vector này nằm trong mặt phăng vuông góc với trục roto và theo hướng sao cho phân bố từ thông trên đó là không đổi. I ;= 2( ặa 11 |Ị !®Ị isc)ỉ3 (3.38) I v-ỀtA+ụr _ _ _' ls I điện cảm của cuộn dây stato lf - điện cảm giữa cuộn stato và roto is I dòng stato ir I dòng roto 1111 vA Suy ra (3.39) S| U»+aUíb+<rU,' Như vậy vector điện áp stato (Ưs) cũng là vector không gian. Nếu đem chiếu vector lên hệ trục ba pha tiên mặt phang phụ tải ta sẽ nhận được giá trị điện áp cùa từng pha. Hay nói cách khác vector ưs là vector tổng quát và phản ánh các giá trị điện áp trong mỗi cuộn dây ở các thời điểm khác nhau. Nếu biết ưs có thể tính được: usa = Re B \Usb= Re ü ¡¡¡¡¡¡I 1 (3.40) Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tich lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biển tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần Chương 3. Phân tích lựa chọn phương án bộ biến tần 43 41 49