Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần ( công nghệ inverter)

I. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần

– Biến tần được cấu tạo từ các bộ phận có chức năng nhận nguồn điện có điện áp đầu vào cố định với tần số cố định, từ đó biến đổi thành nguồn điện có điện áp và tần số biến thiên ba pha (có thể thay đổi) để điều khiển tốc độ động cơ.

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ biến tần được thể hiện qua 2 công đoạn sau:

– Công đoạn 1: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều (AC) 1 pha hoặc 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều phẳng (DC). Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nguồn điện đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha, nhưng nó sẽ có điện áp và tần số cố định.

– Công đoạn 2: Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Ban đầu, điện áp 1 chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện. Điện áp 1 chiều này ở mức rất cao tại DC bus (đối với biến tần 220V thì điện áp tại DC bus là ………., đối với biến tần 380V thì điện áp tại DC bus là …….…). Tiếp theo, thông qua trình tự kích hoạt đóng ngắt thích hợp, bộ nghịch lưu IGBT của biến tần sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn công suất hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

II. Các bộ phận cơ bản của biến tần

Thông qua quá trình hoạt động của biến tần, ta có thể rút ra cấu tạo biến tần gồm mạch chỉnh lưu, mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển. Từ đó, ta có thể chi tiết hóa thành các bộ phận chính như sau:

1. Bộ chỉnh lưu

– Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt (diode) sóng toàn phần.

– Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó dòng điện xoay chiều 1 pha (AC) được chuyển đổi thành 1 chiều (DC). Tuy nhiên, cầu đi-ốt được sử dụng trong biến tần cũng có thể cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều.

– Các đi-ốt chỉ cho phép dòng điện đi theo một hướng, vì vậy cầu đi-ốt hướng dòng electron của điện năng từ dòng xoay chiều (AC) thành dòng 1 chiều (DC).

a. Cách tạo ra điện áp DC từ lưới điện AC

– Hãy tìm hiểu nguyên lý này bằng cách đơn giản là xem xét nguồn điện áp xoay chiều 1 pha và sử dụng tải điện trở. Thành phần này được sử dụng như một đi ốt, đi ốt chỉ cho phép dòng điện đi qua một chiều và không đi vào chiều kia theo hướng sử dụng điện áp.

– Sử dụng đặc tính này khi điện áp AC được đưa vào A và B trong mạch chỉnh lưu, điện áp cũng đưa qua tải theo cùng hướng. Nói cách khác điện áp AC được chuyển đổi (chỉnh lưu) thành điện áp DC.

– Dưới đây là ví dụ về mạch cầu diode chỉnh lưu toàn phần:

b.Nguyên tắc hoạt động của bộ chỉnh lưu

– Đối với nguồn điện đầu vào xoay chiều 3 pha, bộ nối 6 đi ốt được sử dung để chỉnh lưu sóng từ nguồn điện AC và tạo ra điện áp đầu ra như được thể hiện trong biểu đồ dưới đây.

c. Nguyên tắc hoạt động của mạch nắn phẳng

– Tụ điện được dùng để nắn phẳng điện áp đầu ra như sau:

d. Mạch giới hạn dòng nhảy vọt

– Phía đầu ra của cầu chỉnh lưu diode được giải thích bằng tải điện trở, nhưng trong các ứng dụng thực tế một tụ điện nắn phẳng sẽ được sử dụng làm tải.

– Dòng điện xung kích qua mạch, điện áp tức thời được dùng để nạp cho tụ điện.

– Để ngăn đi ốt chỉnh lưu không bị hư hại do dòng điện xung kích, điện trở được đưa vào trong mạch nối tiếp để chặn dòng điện xung kích trong thời gian ngắn sau khi nguồn điện được bật lên.

– Do hoạt động theo mục đích này, điện trở bị ngắn mạch qua hai đầu nối của nó để sản sinh ra một mạch để bỏ qua điện trở.

– Mạch này được nhắc đến là mạch giới hạn dòng điện xung kích.

– Nếu mạch giới hạn dòng điện xung kích được sử dụng, giá trị đỉnh dòng điện có thể được giảm để ngăn ngừa hư hỏng bộ diode chỉnh lưu.

e. Dạng sóng dòng điện đầu vào có tải tụ điện

– Dạng sóng dòng điện đầu vào trong trường hợp này chỉ xảy  ra khi diện áp AC cao hơn điện áp DC. Điều này dẫn đến dạng sóng bị xoắn như trình bày trong biểu đồ và không phải sóng hình sin.

Như được mô tả ở các phần trên, bộ chỉnh lưu được tạo ra như sau:

2. Tuyến dẫn một chiều

– Tuyến dẫn 1 chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp 1 chiều đã chỉnh lưu. Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn 1 chiều sẽ làm tăng điện dung.

– Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho động cơ.

3. Bộ điện kháng xoay chiều (Cuộn kháng AC)

– Cuộn kháng dòng xoay chiều là cuộn cảm hoặc cuộn dây. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn dây và chống thay đổi dòng điện.

– Cuộn kháng dòng giúp giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều. Ngoài ra, cuộn kháng dòng xoay chiều sẽ giảm mức đỉnh của dòng điện lưới hay nói cách khác là giảm dòng chồng trên Tuyến dẫn một chiều. Giảm dòng chồng trên Tuyến dẫn một chiều sẽ cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn.

– Cuộn kháng dòng xoay chiều hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu nguồn và xung gây ra do bật/tắt các tải điện cảm khác bằng bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ.

– Nhược điểm khi sử dụng cuộn kháng AC là chi phí tăng thêm, cần nhiều không gian để lắp đặt và đôi khi là giảm hiệu suất.

– Trong một số các trường hợp khác, cuộn kháng dòng xoay chiều có thể được sử dụng ở phía đầu ra của biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp (được sử dụng khi khoảng cách dây dẫn từ biến tần đến động cơ xa 50-100 mét), nhưng điều này thường không cần thiết do hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT.

4. Bộ điện kháng 1 chiều (Cuộn kháng DC)

– Cuộn kháng một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho phép biến tần phát hiện các sự cố tiềm ẩn đang chuẩn bị xảy ra và kịp thời ngưng/ ngắt động cơ ra.

– Cuộn kháng một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ biến tần 7,5 kW trở lên. Cuộn kháng một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn cuộn kháng xoay chiều.

– Cuộn kháng một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng chồng không làm hỏng tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho bộ chỉnh lưu.

5. Bộ phận nghịch lưu

a. Cách biến đổi điện áp DC thành AC

Tìm hiểu nguyên lý này qua ví dụ đơn giản về điện áp xoay chiều 1 pha như sau:

– Bốn công tắc, S1 đến S4 được nối với nguồn điện áp DC, trong đó các công tắc S1 / S4 được ghép với nhau và các công tắc S2 / S3 cũng tương tự. Khi các cặp công tắc được bật, tắt, dòng điện đi qua đèn như trong biểu đồ dưới đây:

Dạng sóng dòng điện:

– Khi các công tắc S1 và S4 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng A.

– Khi các công tắc S2 và S3 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng B.

Nếu hoạt động của các công tắc này lặp lại theo một chu kỳ định sẵn, hướng đi của dòng điện sẽ thay đổi qua lại để tạo ra dòng điện xoay chiều.

b. Tần số được thay đổi như thế nào?

– Tần số thay đổi khi bạn thay đổi khoảng thời gian BẬT và TẮT các công tắc S1 và S4.

– Ví dụ, nếu bạn BẬT công tắc S1 và S4 trong 0,5 giây và sau đó BẬT công tắc S2 và S3 trông 0,5 giây liên tục qua lại thì bạn sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều ngược hướng dòng điện đó trong 1 giây, tương đương với tần số 1 Hz.

– Nói cách khác, tần số được thay đổi khi thời gian t0 thay đổi.

c. Điện áp được thay đổi bằng cách nào?

– Điện áp (trung bình) có thể được thay đổi bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT các công tắc bằng cách thay đổi thời gian chu kỳ t0, sang thời gian chu kỳ ngắn hơn để BẬT/TẮT điện áp.

– Tần số cho các xung ngắn này được nhắc đến dưới dạng tần số sóng mang.

– Ví dụ, nếu tỷ lệ thời gian BẬT/TẮT của các công tắc S1 và S4 bị giảm một nửa thì điện áp (trung bình) đầu ra trở thành điện áp AC tương đương với E/2, hoặc một nửa điện áp DC, E.

– Để hạ thấp điện áp (trung bình), hãy hạ tỷ lệ thời gian BẬT và để nâng điện áp (trung bình) hãy nâng tỷ lệ thời gian BẬT.

– Độ rộng xung tỷ lệ BẬT/TẮT sẽ được điều khiển để thay đổi điện áp. Phương thức điều khiển dạng này được nhắc đến dưới dạng điều biến độ rộng xung (PWM) và hiện nay thường được sử dụng trong các máy biến tần và bộ phận điện tử khác.

d. Cách nghịch lưu điện áp xoay chiều 3 pha?

– Cấu tạo cơ bản của mạch biến tần 3 pha và điện áp xoay chiều 3 pha được trình bày dưới đây. Nếu bạn thay đổi thứ tự của sáu công tắc được BẬT/TẮT, kết quả sẽ thay đổi U-V, V-W và W-U. Cách này được sử dụng để thay đổi chiều quay của động cơ.

– Lưu ý rằng trong thực tế các bộ phận bán dẫn được sử dụng thay cho các công tắc để biến đổi điện áp, cho phép các công tắc BẬT/TẮT ở tốc độ rất cao.

6. Module công suất IGBT

– IGBT là linh kiện công suất bán dẫn, là loại transistor lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra cho biến tần.

– Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh. Trong biến tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp Tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện.

– Bằng cách sử dụng điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang.

Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang và đường tròn biểu thị một phần sóng dạng sin.

– Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang, độ rộng xung có thể thay đổi.

– PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin. Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

7. Điện trở hãm

– Tải có lực quán tính cao và tải thẳng đứng có thể làm tăng tốc động cơ khi động cơ cố chạy chậm hoặc dừng. Hiện tượng tăng tốc động cơ này có thể khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện.

– Khi động cơ tạo ra điện áp, điện áp này sẽ quay trở lại tuyến dẫn Một chiều.

– Lượng điện thừa này cần phải được xử lý bằng cách nào đó. Điện trở được sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa này được tạo ra bởi hiện tượng này bằng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt.

– Nếu không có điện trở, mỗi lần hiện tượng tăng tốc này xảy ra, bộ truyền động có thể ngắt do lỗi Quá áp trên Tuyến dẫn Một chiều.

III. Các đặc tính dạng sóng

Cách thay đổi đầu vào và đầu ra khi sử dụng máy biến tần?

· Dòng điện đầu vào: dạng sóng điện nhìn như tai thỏ (Bao gồm các thành phần có độ dốc cao).

· Dòng điện đầu ra: dạng sóng nhìn như một tập hợp các đường thẳng (hình chữ nhật). Bao gồm các thành phần tần số cao và các thành phần xung điện áp.

Dạng sóng này được tạo ra từ các hoạt động BẬT / TẮT của các bộ phận bán dẫn trong máy biến tần.

IV. Các phương pháp điều khiển biến tần

– Máy biến tần đa năng duy nhất được dùng trong các lĩnh vực công nghiệp vào những năm 1980 là dạng máy biến tần điều khiển V/F.

– Sau này, các phương pháp điều khiển Vector không cảm biến (tốc độ) được giới thiệu vào năm 1990 với mục đích tăng mô men xoắn trong phạm vi điều khiển tần số thấp hiệu quả hơn điều khiển V/F.

– Công suất máy biến tần tăng lên nhờ các cải tiến về công nghệ phần cứng và công nghệ lý thuyết điều khiển bao gồm các chất bán dẫn.

– Kiểm soát Vector bằng phản hồi tốc độ (Encoder) được áp dụng lần đầu đối với các động cơ vào năm 1990 đối với các lĩnh vực cần điều khiển tốc độ chính xác cao.

– Các phương pháp điều khiển máy biến tần điển hình được nêu trong bảng dưới đây, chủ yếu là các phương pháp liên quan tới điều khiển tốc độ.

– Theo nghĩa rộng, hãy nhớ rằng công suất và độ chính xác của biến tần tăng lên khi bạn chuyển dần sang phía bên phải của bảng mô tả ở dưới phương pháp điều khiển, tuy nhiên sự linh hoạt và hiệu quả kinh tế sẽ giảm xuống.

– Đối với phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ (Sensorless vector), dưới đây là một trong các phương pháp được tập đoàn Mitsubishi Electric và Shihlin Electric phát triển.