Khái quát chung
Sự phát triển công nghiệp hóa và tự động hóa hiện nay đang chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các hệ thống truyền động điện (TĐĐ) xoay chiều Công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất như MOSFET, IGBT và vi mạch xử lý số (DSP) đã thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các động cơ điện xoay chiều Điều này đã dẫn đến sự hình thành các hệ thống điều khiển hiện đại, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy trong ngành công nghiệp.
Hàng năm, ngành công nghiệp động cơ tại Việt Nam sản xuất hàng chục ngàn động cơ, chưa tính đến số lượng nhập khẩu Điều này cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng từ các động cơ này là rất lớn khi áp dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng hiện đại.
Hệ thống truyền tải điện (TĐĐ) tiêu thụ đến 2/3 tổng lượng điện trong ngành công nghiệp, do đó, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng Tiết kiệm năng lượng không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống ĐĐ T xoay chiều đầu tiên, với công suất 400 hp, sử dụng biến đổi tiratron cho động cơ đồng bộ được lắp đặt vào năm 1932 Hệ thống này được thiết kế nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng Cũng trong khoảng thời gian này, ngành đường sắt Đức đã sử dụng các bộ biến tần trực tiếp, biến đổi tần số từ 50Hz thành 16 2Hz để phục vụ cho truyền động động cơ xoay chiều trong giao thông Mặc dù các hệ thống TĐĐ TSTĐ đã được phát triển từ những năm 1930.
Vào năm 1930, sự ra đời của tiristor và IGBT đã mở ra kỷ nguyên mới cho các linh kiện bán dẫn chất lượng cao, vi mạch điều khiển và IC chuyên dụng Mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất, thời gian đáp ứng bằng 0, loại bỏ sóng hài với hệ số cos bằng 1, không có tiếng ồn, và dải điều chỉnh vô hạn Các thiết bị này hoạt động ở nhiệt độ cao mà không tốn chi phí bảo trì, đảm bảo chất lượng ổn định bất chấp sự thay đổi của thông số và ảnh hưởng từ nhiều yếu tố Việc tích hợp bộ điều khiển và máy in thành một hệ thống đơn giản và hiệu quả đang là vấn đề nghiên cứu và ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện nay.
Điện tử, công nghệ thông tin và hệ thống truyền động điện tần số đang trở thành những yếu tố quan trọng cho sự phát triển của các ngành công nghiệp toàn cầu trong thế kỷ 21.
1.2 C các ấu trúc ộ bi n b ế đổi ầ t n s i n hình ố đ ể
Trong việc sử dụng điện năng, cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp để cải thiện hiệu suất Biến tần được sử dụng phổ biến trong truyền động điện, đặc biệt trong các thiết bị bơm và quạt, cũng như trong các thiết bị chiếu sáng Việc điều chỉnh tần số giúp tối ưu hóa hoạt động và tiết kiệm năng lượng.
Bộ biến tần là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện tần số công nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi phù hợp cho động cơ xoay chiều Có rất nhiều cấu trúc bộ biến tần, nhưng có thể phân thành ba cấu trúc điển hình nhất: bộ biến tần trực tiếp, bộ biến tần gián tiếp và bộ biến tần ma trận Nói chung, các bộ biến tần đều phải thoả mãn các điều kiện nhất định để hoạt động hiệu quả.
- Có khả ăng điều chỉnh ần ố n t s , theo giá t trị ốc độ đặt mong mu ốn
- Có khả ă n ng cung c dòng ấp điện định mức mọi tần s ở ố
Dưới đây ta s lẽ ược qua c c ác ấu trúc và đặc đ ểi m của từng cấu trúc đó
1.2.1 B bộ iến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là thiết bị chuyển đổi tần số đầu vào f1 thành tần số đầu ra f2 thông qua việc điều chỉnh dòng xoay chiều Nó cho phép điện áp ra luôn tỷ lệ thuận với tần số và dòng điện, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất bằng cách trao đổi năng lượng trực tiếp mà không cần trung gian Nguyên lý hoạt động của biến tần trực tiếp đã được phát minh từ năm 1920 và vào những năm 1930, công nghệ này đã được áp dụng tại Đức với việc sử dụng đèn thủy ngân để điều khiển dòng điện, tạo ra tần số Hz.
Biến tần 16 2 được sử dụng trong truyền động động cơ xoay chiều pha trong giao thông, cho phép điều khiển hiệu suất động cơ với công suất lên đến 400 mã lực Việc phát minh ra biến tần công suất lớn đã mở rộng ứng dụng trong truyền động ở tốc độ thấp và công suất lớn Mặc dù biến tần trực tiếp có cấu trúc đơn giản hơn, nhưng lại yêu cầu số lượng linh kiện nhiều hơn, dẫn đến kích thước và trọng lượng của thiết bị tăng lên đáng kể.
Ngày nay, các bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng để điều khiển tải có tốc độ thấp và công suất lớn Chúng thường được áp dụng trong các hệ thống truyền động động cơ đồng bộ, nơi yêu cầu hoạt động ổn định ở tốc độ thấp, như trong máy cán thép và máy nghiền bi.
1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến ần gián tiếp là thiết bị biến đổi điện năng phổ biến nhất hiện nay, với chức năng điều chỉnh và biến đổi dòng điện Thiết bị này hoạt động thông qua một khâu trung gian để đảm bảo quá trình biến đổi điện năng diễn ra hiệu quả Hình 1.1 minh họa cấu trúc của bộ biến ần gián tiếp, cho thấy các thành phần chính và cách chúng tương tác với nhau.
B ộ biến ần gián tiếp t có thể được chia ra làm ba lo ính ại ch tuỳ thuộc ào ộ v b chỉnh l u và nghư ịch ư l u (hình 1.2)
Bộ biến tần là thiết bị điều khiển điện áp và dòng điện, giúp điều chỉnh tần số và biên độ của dòng điện sử dụng đèn LED Điện áp đầu ra từ bộ biến tần được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu sử dụng mà không cần điều khiển dòng điện, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất.
Hình 1.1 S cơ đồ ấu trúc ổngt quát của bộ biến tần gián tiếp u2, f2 a b c
Mạch nghịch mạch lọc lưu u1, f1
Hình 1.2 S ơ đồ khối ủa c b c ác ộ biến ần gián tiếp t
Điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp điều khiển hiệu quả cho các thiết bị bán dẫn như BJT, MOSFET và IGBT, nhằm cung cấp điện cho động cơ với dạng sóng hình sin Kỹ thuật này đảm bảo hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành.
Bộ biến tần nghịch lưu là thiết bị điều chỉnh điện áp đầu ra thành dạng xung vuông, thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ Bộ chỉnh lưu có chức năng điều chỉnh điện áp đầu vào, trong khi bộ nghịch lưu đảm nhận việc điều chỉnh tần số và điện áp ra Các phương pháp điều khiển thường sử dụng transistor hoặc thyristor để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.