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

20
ff
r




=
H
ỗ
n
h 3.1. Sồ õọử nguyón lyù bọỹ bióỳn tỏửn maùy
õióỷn

Dấu (+) ứn
g
với trờn
g
hợ
p
rôto BTK
q
ua
y
n
g
ợc chiều từ trờn
g
.
Lúc này f

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

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

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
~


Điều khiển
Nghởch
lổu
Loỹ
c

Trang
30Hình 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 :

D
3
I
i

t
H
ình 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

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

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
-
H


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
=

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

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 . Trang
35


I
d
T
3
D
3
D
6
T
6
T
5
D
5
D
2
C'T
2
C
4
C
6
B
C

A'
B'
i
R
0 i
S
0
i
T
0 Trang
36* Chuyển dòng điện từ pha R sang pha S:
Giả thiết T
1
, D
1
, D
2
và T

.Tiristor này mở , đặt điện áp
u
BA
=-U
0
lên T
1
để khoá T
1
. Dòng điện I
d
, từ nguồn , lập tức chuyển qua
T
3
, rồi rẽ thành hai nhánh . Nhánh thứ nhất , I
C1
= 2 I
d
/ 3 , nạp điện cho
C
1
; nhánh thứ hai , I
C2
= I
C3
= I
d
/3 nạp điện cho C
2
nối tiếp C


0, diode D
3
bắt đầu dẫn dòng . Dòng I
s
từ zero tăng dần đến
trị I
d
còn dòng I
R
từ trị I
d
giảm dần xuống zero .Khi t = t
3
, kết thúc quá
trình chuyển mạch . Lúc này T
3
và T
2
dẫn dòng :
U
BA
= -U
0
, U
CB
= U
0
, U
CA

d
chảy qua D
2
, chia thành hai nhánh .Nhánh Trang
37
thứ nhất I
C5
= I
C4
=I
d
/3 nạp điện cho C
5
và C
4
. Nhánh thứ hai ,I
C6
=2 I
d
/3
nạp điện cho C
6
Lúc này (t=t
4
), D
4
vẫn cha dẫn dòng .

chuyển mạch. Lúc này T
3
và T
4
dẫn dòng:
U
BA
= U
0
, U
CB
= 0 , U
CA
= U
0
.
Khi sử dụng sơ đồ biến tần dòng ba pha để điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ, trị cực đại của mổi tụ điện chuyển mạch có thể đợc tính
theo công thức sau:

2
20209106660









[
]
2
1

cos.II
nm
=
I
n
- dòng điện định mức của động cơ điện ;
L - điện cảm tản một pha (stator + roto);
U
m
-biên độ cực đại của điện áp dây.

B. NGHịCH LƯU NGUồN áP : Bộ biến tần nguồn áp hay là bộ nghịch l điện áp có đặt điểm là
dạng điện áp ra tải đợc định hình sẵn, còn dạng dòng điện tải lại phụ
thuộc tính chất tải. Nguồn cấp điện cho bộ biến tần phải là nguồn sức
điện động với nội trở nhỏ. Nếu sử dụng chỉnh lu làm nguồn cho bộ
nghịch lu độc lập thì cần phải mắc thêm một tụ điện C
0
ở đầu vào
nghịch lu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác để
trao đổi năng lợng phản kháng với điện cảm tải ( với tải R hoặc động cơ
điện ) . Điện áp ra của bộ nghịch lu độc lập không có dạng hình sin nh
mong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật . Để đánh giá sóng hài của

Trang
38
+
-
i
d
Zt
U
T1
c
i
t
D1
D4
D2
D3
T1
T1
T3
U
BE
T1,T3
U
BE
T2,T4
U
t

3

,T
4
và các diode chặn tơng ứng D
1
,D
2
,D
3
,D
4
.Các van T
1
ữ T
4
đợc điều
khiển theo cặp T
1
,T
3
và T
2
, T
4
lệch pha nhau một góc 180
0
. ở nữa chu
kỳ đầu điều khiển mở T
1

, D
4
về nguồn theo
đờng D
2
, cực dơng E
N
, qua nguồn E
N
xuống cực âm ( hoặc qua tụ
Co ) -D
4
( một phần dòng tải sẽ qua T
2
, T
4
theo chiều ngợc) . Nh vậy ,
do D
2
, D
4
và T
2
, T
4
dẫn , điện áp ra tải đảo cực tính ngay ( dấu dới )
nên lúc này u
t
= - E
N

pT
N
pT
t
pT
e
e
p
E
dtetu
e
pU




+

=

=


Ta suy ra biểu thức dòng điện tải :
()








+

=
3
0
1
/2
1
a
Qe
Iti
t

Trang
40
trong đó
R
E
I
N
=
0
gọi là dòng cơ sở.

R

t
+

=






=

trị hiệu dụng của dòng tải đợc xác định :
()














+


)
0
1
=

t
i là :
3
1
1
2
ln.
a
Q
+
=


Từ đây có dòng trung bình qua van điều khiển :






+

==

Q










+

=








=

Q
a
aa
IdiI
thdT
)1(2
23
2

1
0
1
1
2
)(
2
1





Q
a
a
I
diI
tD

()










41
()
(
)
()






+

+==

1
12
1
1
3
3
0
a
aQ
IdiI
td











+

+==
1
12
1
3
3
0
a
aQ
IEIUS
Ntt


Suy ra hệ số công suất :
(
)
()






U
K
q
q
1
1
==
Trờng hợp dùng mạch chỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu điện áp
,do tính chất chỉ cho dòng điện chạy theo chiều xác định , để đảm bảo
quá trình phóng điện về nguồn cần có một tụ điện Co ở đầu vào bộ
nghịch lu điện áp.
Xuất phát từ quy định về độ ổn định điện áp nguồn và độ quá áp cho
phép trên tụ Uc không nên quá 10 % và cho rằng toàn bộ độ dao động
dòng điện tải do tụ Co gánh chịu , ta rút ra đợc trị số điện dung cần có :








+

+






E
UR
E
C



=
.
.
293,02ln1
.
max0



Qua biểu thức Uq và Kq ta thấy biên độ các sóng hài bậc thấp khá lớn
so với sóng hài cơ bản .Đối với tải là động cơ điện thì điều này hoàn toàn Trang
42
không mong muốn .Vì vậy ngời ta cố gắng loại trừ các sóng hài bậc
thấp.
2. Nghịch lu áp ba pha:
a.Sơ đồ nguyên lí :
Hoạt động của sơ đồ:
Nguyên tắt hoạt động của bộ nghịch lu áp ba pha dựa trên nguyên lí
hoạt động của bộ nghịch lu áp một pha. ở bộ nghịch lu áp ba pha có
tất cả sáu van các van lẻ S

U30 - U20 UZ23
=
=
U20 - U10 UZ12 =
0
321
1331
3223
2112
=++
=
=
=
ZZZ
ZZZ
ZZZ
ZZZ
UUU
UUU
UUU
UUU

+ V
R1
S
1

V
R3 3


12132
31131
31
31
31
ZZZ
ZZZ
ZZZ
UU/U
UU/U
UU/U
−=
−=
−
=

⇒
T
H×nh 3. 15 : D¹ng ®iÖn ra trªn t¶i sau bé nghÞch l−u.

§iÖn ¸p d©y vµ ®iÖn ¸p pha nh− sau:
Khai triÓn Furie ®iÖn ¸p d©y vµ ®iÖn ¸p pha:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+++=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−−=
tSintSintSintSinuu
tSintSintSintSinuu
dA
dAB
ωωωω
π
ωωωω
π
11
11

1. Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lu có điều
khiển hoặc bằng bộ băm xung:
a. Điều chỉnh biên độ của điện áp một chiều bằng chỉnh lu có điều
khiển:
Để điều chỉnh đợc giá trị trung bình điện áp của bộ chỉnh lu ta thay
đổi góc mở
của các van. Do đó thay đổi đợc U
f
.
+ Khi tăng
thì U
d
giảm và ngợc lại. Ví dụ sơ đồ chỉnh lu có điều khiển hình cấu bằng các Thyristor đợc
cho xung mở theo thứ tự T
1
, T
2
, T
3
, T
4
, T
5
, T
6
, T
1 Trang
45 Trang
46
H
ình 3.16. Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển
a) Sơ đồ
b) Dạng sóng khi góc mở nhỏ
c) Dạng sóng khi góc mở lớn
D
r
Z
t
L
c
D
c
T

Hỗnh 3.18. Chu kyỡ xung õióửu
khióứn mồớ Thyristor
Gọi T là chu kì băm T = T
1
+ T
2
.
T
1
= T là thời gian đóng mạch
của T
p
.
T
2
=T-T
1
là thời gian hở mạch.

= T1/T là tỉ số chu kì.
Giá trị trung bình của điện áp tải:
U
f
= V.
Vậy bằng cách biến đổi tỉ số chu kì
(T = Const) có thể điều chỉnh đợc
giá trị trung bình của điện áp ra.
2. Điều chỉnh thời gian đóng ngắt của các van để thay độ rộng xung:
Để làm đợc điều này ngời ta tìm cách xây dựng trong nghịch lu
những chuyển mạch phụ sao cho điện áp tải sẽ có một đoạn bằng không.

5
T
2
T
3
T
4
T
1
T
2
T
3
T
6
T
1
T
2

T
5
T
6
T
1 Trang
48 Trang
49
U
t
U
r

U
2
a

a
2
Hình 3.20a. Dạng điện áp ra của điều chế độ rộng xungđơn cực

b. Điều biến độ rộng xung lỡng cực (hình3.20b).
Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số