GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN
BIẾN TẦN TRỰC TIẾP
Bộ biến tần trực tiếp bao gồm hai nhóm bộ biến đổi được kết nối song song theo hướng ngược nhau Hình vẽ minh họa dạng sóng điện áp u và dòng điện I trên tải một cách rõ ràng.
Công suất tức thời trên tải p = u.i thay đổi qua bốn giai đoạn Khi dòng điện i cùng chiều với điện áp u, ta có p = u.i > 0, cho thấy bộ biến đổi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu.
1.2.1 Biến tần trực tiếp một pha
Hình 1.4 Bộ biến tần trực tiếp một pha
Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kỳ bao gồm hai nhóm: nhóm dương (P) và nhóm âm (N) Các thyristor được kích hoạt không trễ (góc mở α = 0), do đó nhóm P hoạt động như một bộ chỉnh lưu diode Tải nhận được cả hai nửa chu kỳ của điện áp nguồn với biên độ điện áp, vì tải là thuần trở nên điện áp và dòng điện đồng pha Khi góc mở tăng lên, điện áp ra sẽ tiến tới giá trị không.
- Sự làm việc của các nhóm bị khóa:
Trên sơ đồ Hình 1.4, nếu tiristor của nhóm dương P và nhóm âm N dẫn đồng thời, sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch nguồn Để ngăn chặn tình trạng này, có thể lắp thêm cuộn kháng san bằng giữa các nhóm nhằm hạn chế dòng điện chạy qua hoặc điều khiển sao cho nhóm này không thể hoạt động khi nhóm kia chưa bị khóa.
Để đạt được điện áp đầu ra mong muốn, các khoảng dẫn của các nhóm cần phải không đồng đều Việc điều chỉnh góm mở khác nhau là cần thiết để tạo ra điện áp gần với hình sin Do ảnh hưởng của sự trễ trong dòng điện tải, khoảng dẫn của các nhóm chỉnh lưu và nghịch lưu sẽ khác nhau Nhóm sẽ dừng dẫn khi dòng điện tải chuyển hướng Sự chuyển đổi giữa nhóm chỉnh lưu và nghịch lưu diễn ra tức thời theo dạng sóng điện áp Tuy nhiên, trong thực tế cần một khoảng thời gian chết để đảm bảo dòng điện ngừng hoàn toàn, cho phép thyristor trở về trạng thái bị khóa trước khi kích hoạt nhóm tiếp theo.
Có thể chỉnh điện áp ra bằng cách chỉnh góc mở Tuy nhiên khi đó các điều hòa bậc cao sẽ tăng thêm
1.2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha
Hình 1.5 Bộ biến tần trực tiếp ba pha hình tia p = 3
Sơ đồ biến tần trực tiếp ba pha trong Hình 1.5 cho thấy cấu trúc với cỉ số đập mạch bậc ba và 18 thyristor, cung cấp điện cho tải ba pha Các nhóm biến đổi được nối hình tia, và điện áp ra cực đại của bộ biến tần có chỉ số đập mạch p được xác định rõ ràng.
0 2 (1.1) Biên độ điện áp ra này phụ thuộc vào góc mở α:
U pha (1.2) Khi bộ biến tần ba pha trực tiếp có p = 3cung cấp cho tải ba pha đối
Dòng điện tải hình sin với cos = 0,707 có chứa các điều hòa bậc cao, dẫn đến sự khác biệt trong các chu kỳ Dòng điện này bao gồm điều hòa cơ bản chậm pha so với điện áp, cùng với các điều hòa bậc cao Thyristor được chuyển mạch tự nhiên và cần được mồi để tạo ra điện áp mong muốn, phụ thuộc vào tính chất của tải Do đó, dòng điện vào luôn chậm pha so với điện áp.
Gọi U 01 max là trị số cực đại của điều hòa cơ bản và max max
U r U Sự biến thiên của góc mồi α để tạo nên điện áp ra mong muốn hình sin được xác định bằng:
(1.3) là một hàm phi tuyến, với r ≤ 1 Tuy nhiên góc mồi của nhóm biến đổi dương
Góc mở của nhóm biến đổi dương không thể giảm xuống bằng không vì khi đó góc mồi của nhóm biến đổi âm N sẽ đạt 180 độ, điều này là không khả thi do hiện tượng trùng dẫn của các thyristor Do đó, góc mở phải được giới hạn ở mức αmin, dẫn đến việc điện áp ra sẽ giảm một lượng tương ứng với cosαmin.
1.2.3 Điều khiển biến tần trực tiếp
Nhiều sơ đồ điều khiển, bao gồm cả kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số, đã được phát triển để cung cấp các xung điều khiển trực tiếp cho bô biến tần Giả thiết điện áp chuẩn là e r = E r sinω 0 t với tần số mong muốn f 0, trong khi tín hiệu điều khiển dạng cosin được biểu diễn là e m = E m cosω 1 t Điện áp điều biến có thể được tạo ra thông qua các điện áp dịch pha, như pha B đối với thyristor pha A và pha C đối với thyristor pha B.
E t E m o r i 30 sin 0 cos (1.5) Góc mồi của thyristor pha A là α = (ωt - 30 o ) do đó:
E m r sin 0 cos Điện áp ra bộ biến tần trực tiếp làm việc với dòng điện liên tục:
Biên độ, tần số và pha của điện áp ra có thể điều chỉnh thông qua các thông số tương ứng của điện áp chuẩn e r, với giả định rằng đặc tính của bộ biến tần là tuyến tính.
Sai lệch điện áp giữa hai nhóm biến đổi dương và âm được khóa, trong khi mạch đồng bộ tạo ra điện áp tựa e a, e b, e c đồng bộ với điện áp lưới Điện áp chuẩn e ra, erb, erc được sử dụng để so sánh với điện áp tựa Transistor một chuyển tiếp tần số biến thiên UJT tạo dao động tích thoát tần số 6f d, điều khiển bộ đếm vòng để tạo điện áp ba pha hình chữ nhật tần số fd, nhằm điều khiển tần số cố định f c của bộ băm transistor ba pha Điện áp ra chứa các tần số (f c - f d), (f c + f d), và (3f d + f c), trong đó thành phần tần số mong muốn f c - f d được lọc qua bộ lọc thông thấp, cho ra điện áp chuẩn e ra, erb, erc Mạch logic và tạo xung của mỗi pha so sánh điện áp chuẩn với điện áp điều chế để phát xung mồi Tín hiệu dòng điện vi của tải được phản hồi qua mạch lựa chọn nhóm biến đổi, phát nhóm dương hoặc âm tùy thuộc vào dòng điện qua vị trí không từ âm sang dương hoặc ngược lại Để tránh chuyển mạch bộ biến đổi không đúng, ngưỡng dòng điện tải v i được sử dụng cùng với điện áp chuẩn Mạch trễ tạo khoảng trống tránh ngắn mạch các pha Trong các bộ biến tần sử dụng vi xử lý, nhiều nhiệm vụ được thực hiện bằng phần mềm, với dạng sóng điện áp chuẩn được phát trong máy tính, lưu trữ trong EPROM và truy cập theo điều khiển của chương trình và đồng hồ nhịp Điện áp tương tự có thể chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ đổi ADC, và việc so sánh động có thể thực hiện bằng kỹ thuật số và phần mềm, trong khi điều khiển mồi sử dụng nguyên lý lấy mẫu đều.
BIẾN TẦN GIÁN TIẾP
f1 f1, u1 = f2 f2, u2 chỉnh lưu lọc nghịch lưu
Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp
Bộ nghịch lưu là thiết bị biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều, sử dụng các khóa chuyển mạch để thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra theo chu kỳ, tạo ra đầu ra xoay chiều Khác với bộ biến tần trực tiếp, bộ nghịch lưu hoạt động dựa vào lưới xoay chiều và phụ thuộc vào loại nguồn và tải, tương tự như bộ điều áp một chiều.
Các bộ nghịch lưu được phân làm hai loại:
- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều
Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều, với loại nguồn xác định theo quan điểm chuyển mạch Điện áp hoặc dòng điện ra của bộ nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng được tạo nên từ một sóng trong một nửa chu kỳ, gọi là bộ nghịch lưu điều khiển toàn sóng Nhờ sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp điều khiển, phương pháp điều biến độ rộng xung PWM thường được sử dụng, giúp dễ dàng lọc điện áp và dòng điện ra Nghiên cứu bắt đầu với điều khiển toàn sóng để so sánh với điều biến độ rộng xung Bài viết cũng đề cập đến bộ biến tần cộng hưởng, cung cấp điện áp hoặc dòng điện gần tần số cộng hưởng cho các tải tần số trung bình có hệ số công suất nhỏ, đòi hỏi điều khiển đặc biệt Bộ biến tần nghịch lưu dòng hoặc áp thường được sử dụng trong truyền động điện xoay chiều có tốc độ thay đổi.
1.3.1.1 Biến tần nguồn dòng một pha
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng một pha và dạng dòng tải
Bộ nghịch lưu nguồn dòng là thiết bị thiết yếu cho các hệ thống công suất lớn, đặc biệt khi sử dụng các van dẫn điều khiển cho tải cảm kháng Để đảm bảo dòng điện phản kháng có thể đi qua, cần sử dụng các diode tạo thành cầu ngược, giúp dòng tải ngược chiều với điện áp cuộn dây Ld có điện cảm lớn Điều này không chỉ giúp san bằng dòng chỉnh lưu mà còn lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hoạt động của sơ đồ bắt đầu khi T2 và T4 dẫn dòng chảy từ B sang A tại thời điểm t = 0, trong khi T1 và T3 được mở Tuy nhiên, T2 và T4 sẽ bị khóa bởi các thiết bị chuyển mạch Do dòng chảy không thể thay đổi đột ngột, dòng vẫn tiếp tục theo chiều cũ D1 và D3, dẫn đến việc T1 và T3 vẫn bị khóa Trong khoảng thời gian từ t1 đến t2, T1 và T3 sẽ dẫn nếu còn xung điều khiển.
Từ thời điểm t1 đến t2, xung mở T1 và T2 bị khóa, trong khi từ t2 đến t3, D1 và D2 dẫn, và từ t3 đến t4, T2 và T4 mới bắt đầu dẫn Dòng điện áp ra trên tải có dạng sóng hình sin chữ nhật, được gọi là "Sunus", với tính chất là hàm lẻ chu kỳ.
1.3.1.2 Biến tần nguồn dòng ba pha
Hình 1.8 Biến tần dòng ba pha
Khối nghịch lưu dòng chuyển đổi dòng điện một chiều sau bộ lọc thành dòng xoay chiều, phục vụ cho động cơ không đồng bộ ba pha Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh, nghịch lưu dòng thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn với sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn hoàn toàn, như thyristor, được áp dụng Nguồn điện một chiều U d, thông qua cuộn dây có cuộn cảm lớn, cung cấp cho cầu biến tần dòng điện ổn định I d.
Hình 1.9 Sơ đồ phân phối xung cho các thyristor
Trong cầu biến tần mỗi tiristor nối thêm một diode, gọi là diode chặn Các thyristor đều được mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, …
Trong mọi thời điểm, ngoại trừ giai đoạn trùng dẫn, chỉ có hai thyristor dẫn dòng Dòng điện tải tạo ra dạng sóng "gần sin chữ nhật" được chia thành hai khối, với khoảng cách giữa các khối lý tưởng khoảng bằng π.
3 trong khoảng này dòng điện pha tải bằng 0
Các pha stator của động cơ lần lượt nhận các dòng điện “sin chữ nhật” lệch nhau góc 2
Tạo ra từ trường quay với tốc độ được xác định bởi nhịp điệu cấp xung điều khiển cầu biến tần Động cơ điện phát sinh các sức điện động tương ứng ở các pha, được biểu diễn qua công thức: u r = 2 Usinωt và u s = 2 Usin(ωt - 2π).
3 ) (1.9) a Hoạt động của biến tần nguồn dòng ba pha:
Nguồn cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng điện một chiều, không bị ảnh hưởng bởi tổng trở tải Để đạt được điều này, điện cảm Ld cần có giá trị lớn và sử dụng mạch vòng điều chỉnh dòng điện Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật, được xác định bởi trình tự đóng cắt các van từ T1 đến T6.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:
3 (1.10) Giá trị hiệu dụng thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích Fourie là:
Hình 1 10 Sơ đồ chuyển mạch từ pha R sang pha S
Từ đây ta suy ra:
Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ xoay chiều, đồ thị điện áp tải sẽ xuất hiện các xung nhọn tại thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các pha.
Trong kỹ thuật, van điều khiển không hoàn toàn thường được sử dụng, do đó cần thiết phải có các mạch khóa cưỡng bức để đảm bảo việc chuyển mạch giữa các pha diễn ra một cách chắc chắn Điều này giúp duy trì sự ổn định trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện rộng rãi.
Trong sơ đồ cầu, ngoài các thyristor T1 đến T6, còn có các diode cách ly D1 đến D6 nhằm ngăn chặn mạch cộng hưởng giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơ không đồng bộ Điều này giúp đảm bảo quá trình chuyển mạch không bị ảnh hưởng Để phân tích hoạt động của bộ nghịch lưu dòng ba pha, chúng ta sẽ xem xét quá trình chuyển dòng điện từ pha R sang pha S và từ pha T sang pha R.
Khi T1, D1, D2 và T2 mở cho dòng chảy, dòng điện Id đi vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra Điện áp trên các tụ điện được xác định như sau: u c1 = u AB = U0, u c2 = u BC = 0, và u c3 = u CA = -U0 Tại thời điểm t = t1, xung điều khiển mở T3, khiến thyristor này mở ra và đặt điện áp uAB = -U0 lên T1 để khóa T1 Dòng điện Id từ nguồn ngay lập tức chuyển qua T3 và chia thành hai nhánh, trong đó nhánh thứ nhất là Ic1 = 2Id.
3 , nạp điện cho C1; nhánh thứ hai Ic2 = Ic3 = I d
Khi nạp điện cho C2 nối tiếp C3, dòng điện từ hai nhánh hợp lại chảy qua D1 vào tải R và ra pha tải T Tại thời điểm t=t1, diode D3 chưa dẫn dòng Trong mạch vòng BARSB, ta có phương trình u D3 = u c1 + u RS Khi t ≥ t2, uD3 bắt đầu lớn hơn hoặc bằng 0, diode D3 bắt đầu dẫn dòng, dòng Is tăng dần đến trị I d, trong khi dòng IR giảm dần xuống zero Đến thời điểm t=t3, quá trình chuyển mạch kết thúc và cả T3 và T2 đều dẫn dòng.
U AB = -U 0 , U BC = U 0 , U CA = 0 (1.17) b Chuyển dòng từ pha T sang pha R :
U A’B’ = 0, U B’C’ = U 0 , U C’A’ = -U 0 (1.18) Khi t = t 4 , cho xung điều khiển mở T 4 Thyristor này đặt điện áp -U 0 lên T 2 để khóa T 2 Dòng điện I d chảy qua D 2 , chia thành hai nhánh : nhánh thứ nhất I C5 =IC4= I d
3 nạp điện cho C5 và C4 ; nhánh thứ hai, I C6 = 2I d
3 nạp điện cho C6 Lúc này t = t4 vẫn chưa dẫn dòng
Trong mạch vòng A’C’TRA’, phương trình u D4 = u C6 = u RT (1.19) được áp dụng Khi t ≥ t 5, diode D4 bắt đầu dẫn dòng với u D4 ≥ 0, dẫn đến dòng I R tăng dần đến giá trị I d, trong khi dòng IT giảm từ giá trị Id xuống 0 Quá trình chuyển mạch kết thúc khi t = t6, lúc này T3 và T4 bắt đầu dẫn dòng.
SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC BỘ BIẾN TẦN TRONG TĐĐ
Ở đây ta chỉ xét sự cần thiết của biến tần trong việc điều tốc- truyền động điện
1.4.1 Sự cần thiết của biến tần trong công nghiệp
Sự phát triển nhanh chóng của các bộ biến tần đã dẫn đến việc ngày càng nhiều thiết bị điện- điện tử ứng dụng công nghệ này Trong số đó, một lượng lớn thiết bị cần sử dụng biến tần là các bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện.
Trong ngành công nghiệp, tốc độ động cơ điện đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Việc điều khiển và duy trì tốc độ động cơ là vấn đề thiết yếu trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện thông qua các biện pháp nhân tạo, như thay đổi điện áp, điện trở phụ hoặc từ thông, nhằm tạo ra các đặc tính cơ mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tốc độ động cơ.
- Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức la biến đổi tỉ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện giúp giảm độ phức tạp của cơ cấu và cải thiện khả năng điều chỉnh Phương pháp này đặc biệt linh hoạt khi áp dụng trong các hệ thống điều khiển điện tử Do đó, bộ biến tần trở thành công cụ quan trọng để điều khiển tốc độ động cơ một cách hiệu quả.
Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment
Trong các bộ điều khiển moment động cơ, ứng dụng quạt gió chiếm 55%, trong khi đó hệ thống HVAC (điều hòa không khí trung tâm) đóng góp 45% vào các ứng dụng bơm, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp nặng.
Nâng cấp hệ thống bơm quạt từ điều khiển tốc độ không đổi sang điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ, mang lại lợi nhuận lớn cho doanh nghiệp.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm quạt:
Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt
Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van
Giảm tiếng ồn trong công nghiệp
Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ
Giúp tiết kiệm điện năng tối đa
1.4.2 Biến tần- tiết kiệm điện năng
Các nhà máy, xí nghiệp thường sử dụng nhiều động cơ bơm, quạt và động cơ truyền động cần điều chỉnh tốc độ Trong quá trình sản xuất, tốc độ và lưu lượng của các thiết bị này phải thay đổi để đáp ứng nhu cầu cụ thể Tuy nhiên, việc điều chỉnh lưu lượng cho động cơ sơ cấp, đặc biệt là động cơ xoay chiều ba pha, gặp khó khăn do tốc độ quay của chúng hầu như không thay đổi theo tần số lưới điện xoay chiều 50Hz.
- p: số đôi cực của động cơ -n: tốc độ quay
Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tần số của lưới điện, vì vậy để điều chỉnh lưu lượng, cách hiệu quả nhất là thay đổi tốc độ của động cơ sơ cấp, đồng nghĩa với việc điều chỉnh tần số của lưới điện.
Trước đây, các công nghệ truyền thống chỉ có khả năng biến tần ở tần số cao và công suất nhỏ, chủ yếu phục vụ cho ngành truyền thanh và truyền hình Tuy nhiên, với tần số công nghiệp và công suất hàng trăm kW, việc này vẫn chưa được thực hiện Do việc điều chỉnh tần số của lưới điện là điều không khả thi, các nhà máy thường áp dụng biện pháp điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi các lá chắn đầu vào và đầu ra của hệ thống quạt Đối với hệ thống bơm, có ba phương pháp điều chỉnh chính: sử dụng van tiết lưu, sử dụng bypass và điều khiển on-off Đối với các động cơ truyền động có tải cần thay đổi tốc độ, việc điều chỉnh thường được thực hiện bằng cách thay đổi tỷ số truyền thông qua việc thay đổi đường kính trục puli.
Việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh trên có thể mang lại hiệu quả kỹ thuật, nhưng không tiết kiệm chi phí, vì động cơ vẫn hoạt động gần như không thay đổi, dẫn đến lượng điện tiêu thụ chỉ giảm không đáng kể.
Hiện nay, rào cản công nghệ đã được gỡ bỏ, cho phép các quốc gia có nền kỹ thuật tiên tiến chế tạo máy biến tần công suất lớn, ứng dụng ngay vào sản xuất để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha, mang lại hiệu quả kinh tế cao Đặc biệt, trong hệ thống bơm quạt, lưu lượng của thiết bị phụ thuộc vào tốc độ động cơ sơ cấp, mà tốc độ này lại liên quan đến tần số nguồn điện Do đó, việc điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng thông qua thay đổi tần số nguồn điện Giải pháp tối ưu cho các vấn đề này là sử dụng biến tần thay cho các van hay lá chắn.
Đối với các hệ truyền động bơm và quạt, moment tải phụ thuộc vào tốc độ quay của trục theo hàm bình phương Lưu lượng ra của hệ tỉ lệ thuận với tốc độ quay.
M ≈ n 2 Trong khi đó công suất đòi hỏi của hệ thống bằng tích số giữa moment và tốc độ quay:
Do đó công suất đòi hỏi của hệ thống tỉ lệ với bình phương của tốc độ quay và cũng tỉ lệ với lập phương của lưu lượng:
Hình 1.24 Đường đặc tính lưu lượng- năng lượng cho van điều khiển đầu vào và đầu ra
Một sự thay đổi nhỏ trong tốc độ vòng quay của động cơ có thể dẫn đến sự thay đổi lớn trong công suất tiêu thụ Việc điều chỉnh lưu lượng của bơm và quạt được thực hiện tại đầu vào nguồn sinh ra lưu lượng thông qua việc điều chỉnh tốc độ của động cơ Khi không sử dụng van hoặc để các van mở tối đa, sẽ không còn tổn thất trên van, và động cơ sẽ không cần sinh công suất cơ trên trục lớn hơn nhu cầu thực để vượt qua sức cản của các van.
Bài viết so sánh đường đặc tính năng lượng-lưu lượng của bộ biến tần (Micromaster) với bộ điều khiển van đầu vào và đầu ra Kết quả cho thấy, đường biểu diễn năng lượng khi sử dụng biến tần luôn thấp hơn so với đặc tính van, đặc biệt khi lưu lượng ra giảm xuống mức phần trăm thấp Cụ thể, nếu giảm lưu lượng 20%, năng lượng tiêu thụ sẽ giảm gần 50% với biến tần, trong khi phương pháp điều khiển van chỉ giảm 2-3%.
Giải pháp tiết kiệm năng lượng kết hợp với khả năng điều khiển hệ thống đã khiến các bộ biến tần trở thành ứng dụng tiêu chuẩn cho hệ truyền động bơm, quạt và động cơ có tải cần điều chỉnh tốc độ.
Sử dụng biến tần không chỉ nâng cao khả năng điều khiển hệ thống mà còn giúp tiết kiệm điện năng đáng kể cho các ứng dụng có tải biến đổi theo tốc độ Để đạt được hiệu quả tối ưu trong vận hành, việc hiểu rõ đặc điểm của các ứng dụng, áp dụng các phương pháp tính toán và khai thác các chức năng tự động hóa là rất quan trọng khi sử dụng biến tần và khởi động mềm.
1.4.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống TĐĐ dùng biến tần và các luật điều khiển
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ LỌC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Sóng hài bậc cao trong sản xuất gây ra nhiều tổn thất kinh tế và kỹ thuật, khiến các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phải đau đầu tìm cách hạn chế Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp hiệu quả đã được đề xuất để giảm thiểu sóng hài bậc cao Vậy sóng hài bậc cao là gì, nguyên nhân nào dẫn đến sự hình thành của chúng, và các biện pháp nào có thể áp dụng để hạn chế tác động của chúng?
Sóng hài là hiện tượng dòng và áp suất xuất hiện trên lưới điện, do các dạng tải khác nhau gây ra Sóng hài bậc cao có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng.
Sóng hài có thể phát sinh từ nhiều nguyên nhân, đặc biệt trong quá trình điều khiển tốc độ động cơ bằng các thiết bị như biến tần.
Tần số đóng cắt của cầu diode 6 xung là 300 Hz khi kết nối với lưới điện 50 Hz, dẫn đến việc sinh ra sóng hài có tần số lên đến 3 kHz Những sóng hài này được dẫn ngược về phía nguồn cấp và chủ yếu là các bậc hài thấp, mặc dù tần số hài phát ra từ bộ chỉnh lưu tương đối thấp.
Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu rất lớn, thường dao động từ 2 kHz đến 20 kHz, dẫn đến việc sinh ra sóng hài có tần số lên đến 10 MHz Những sóng hài này được truyền qua cáp điện nối đến động cơ, với tần số hài phía động cơ cao (trên 10 kHz) xếp chồng lên dạng sóng sin bình thường.
Hình 2.1 Dạng sóng sinh ra phí nguồn cấp
Hình 2.2 Dạng sóng phía động cơ
Các biện pháp hạn chế sóng hài chính:
- Hạn chế công suất các tải phi tuyến
- Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến
Sử dụng các bộ lọc là một phương pháp hiệu quả để hạn chế sóng hài trong đầu ra của các thiết bị biến đổi như biến tần.
Một phương pháp khác để lọc hài trong hệ thống điện là sử dụng các bộ lọc bổ sung, như bộ lọc điều chỉnh được, có ưu điểm là dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, đây chỉ là giải pháp tạm thời, vì khi hệ thống điện thay đổi, chẳng hạn như khi có thêm tải phi tuyến, các giả thiết thiết kế bộ lọc cũng cần điều chỉnh Điều này có thể dẫn đến tình trạng quá tải cho các thiết bị bù và làm giảm hiệu quả hoạt động của chúng.
Bộ lọc được chia làm hai dạng: Bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Ngoài ra còn có bộ lọc số
BỘ LỌC TÍCH CỰC
Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực là sử dụng sóng hài ngược pha để triệt tiêu các sóng hài do tải phi tuyến sinh ra, từ đó cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống.
Bộ lọc tích cực được phân loại theo cách chúng được nối vào mạch:
- Nối song song rẽ nhánh
- Kết hợp giữa lọc tích cực và lọc thụ động.
BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
Bộ lọc thụ động được thiết kế nhằm giảm thiểu các điều hòa bậc cao, và việc lắp đặt cũng như kiểu dáng và thông số kỹ thuật của bộ lọc cần được điều chỉnh dựa trên từng trường hợp cụ thể của hệ thống điện.
Các bộ lọc thụ động thường có cấu trúc với nhiều đường dẫn song song có trở kháng thấp, giúp giảm áp hài tại điểm xét Trong hệ thống điện, nguồn sinh sóng hài phân bố từ nhiều thiết bị khác nhau, làm cho việc xác định trách nhiệm cho bộ lọc trở nên khó khăn Bộ lọc cho thiết bị cụ thể thường được đặt gần thiết bị đó để tận dụng điện kháng tại điểm đặt Khi đủ điện kháng tại điểm xét, bộ lọc có thể hút sóng hài từ nhiều nguồn khác nhau, tại điểm đổi nối chung (PCC) Tuy nhiên, bộ lọc cần được thiết kế để tránh quá tải khi tiếp nhận dòng hài từ các phần khác của hệ thống điện, làm cho việc tính toán trở nên phức tạp.
Hình 2.3 Hệ thống với các nguồn hài phân tán
Trở kháng của nguồn có thể được biểu thị bằng một điện cảm, và một phương pháp lọc đơn giản là kết nối song song một tụ điện Tuy nhiên, phương pháp này thường không hiệu quả do yêu cầu sử dụng các tụ điện lớn để tạo ra trở kháng nhỏ ở bậc hài, chẳng hạn như bậc 5 Tụ lọc và điện kháng nguồn sẽ tạo ra cộng hưởng song song, làm tăng trở kháng tại một tần số thấp hơn tần số lọc của bộ lọc Cộng hưởng này không xuất hiện ở các tần số bội của nguồn cấp để tránh bậc hài tại những tần số đó Để giảm độ lớn của tụ lọc, có thể kết nối một cuộn kháng nối tiếp, tạo thành bộ cuộn kháng – tụ lọc, điều chỉnh cộng hưởng sẽ xảy ra ở tần số cao hơn so với khi chỉ sử dụng tụ lọc Hiện tượng cộng hưởng song song cần được tính toán cụ thể cho từng trường hợp Ở tần số lớn hơn tần số chỉnh của bộ lọc, sự suy giảm dòng hài với bộ lọc điều chỉnh sẽ thấp hơn so với bộ lọc chỉ sử dụng tụ.
Khi một bộ lọc được điều chỉnh chính xác đến một tần số hài nhất định, chẳng hạn như bậc 5, nó sẽ tạo ra trở kháng rất thấp tại tần số đó Điều này mang lại lợi ích cho quá trình lọc, tuy nhiên, bộ lọc này cũng sẽ nhận dòng hài bậc.
Bộ lọc hài bậc 5 có thể gặp tình trạng quá tải trong hệ thống điện Để tránh hiện tượng này, cần điều chỉnh bộ lọc sao cho cộng hưởng tại bậc hài Mặc dù việc điều chỉnh có thể làm giảm khả năng lọc hài, nhưng nó giúp ngăn ngừa tình trạng quá tải hiệu quả.
Cấu trúc lắp các bộ lọc tạo đường dẫn song song được minh họa trong hình 2.4, với đường dẫn trở kháng thấp nhờ vào các hài xác định từ tụ điện và cuộn kháng điều chỉnh cộng hưởng nối tiếp Các bộ lọc này có thể tích hợp thêm điện trở mắc song song với cuộn kháng để cải thiện khả năng giảm thiểu các hài bậc cao Thiết kế bộ lọc cần đảm bảo trở kháng thấp tại tần số mục tiêu mà không tạo ra trở kháng cao không mong muốn ở tần số khác, đòi hỏi sự chi tiết trong thiết kế.
Các bộ lọc hài được thiết kế để hạn chế sóng hài bậc 5, thường đủ để cải thiện hiệu suất hệ thống Chúng tạo ra những đường dẫn trở kháng thấp cho các sóng hài cụ thể Một bộ lọc hài 3 pha có thể kết hợp tụ 3 pha nối tam giác với cuộn kháng một pha, mang lại hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sóng hài.
Thiết kế cuối cùng của bộ lọc cần đảm bảo khả năng dự trữ, phù hợp với dung sai của các thành phần trong mạch và sự biến đổi của hệ thống điện.
Giá trị của tụ điện và cuộn kháng có thể biến đổi trong khoảng ±5% so với giá trị định mức, và cần lưu ý rằng sự thay đổi này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và các điều kiện làm việc khác.
Bộ lọc thụ động có thể được phân chia thành một số loại như sau:
Sử dụng bộ lọc kiểu này mang lại hiệu quả kinh tế cao và hiệu suất tốt trong nhiều trường hợp Bộ lọc được điều chỉnh để cộng hưởng nối tiếp tại một tần số hài nhất định, tạo ra đường dẫn trở kháng thấp cho dòng hài Nó được kết nối theo kiểu rẽ nhánh với hệ thống điện, không chỉ hạn chế sóng hài mà còn cải thiện hệ số công suất Thực tế, các tụ bù hệ số công suất thường được tận dụng để tạo thành bộ lọc này.
Hình 2.5 Các bộ lọc thụ động thường gặp
Khi sử dụng bộ lọc này, cần lưu ý rằng nó tạo ra một điểm cộng hưởng song song ở tần số thấp hơn tần số chỉnh Điều quan trọng là phải tránh để tần số cộng hưởng trùng với bất kỳ tần số điều hòa nào Thông thường, bộ lọc được điều chỉnh để có tần số lọc thấp hơn một chút so với bậc hài cần lọc, nhằm tạo ra một biên độ an toàn trong trường hợp có sự thay đổi về thông số.
Bộ lọc điều hòa bậc 5 đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống khỏi hiện tượng cộng hưởng Để ngăn chặn sự cố, các bộ lọc cần được thiết kế để loại bỏ ngay từ các bậc hài nhỏ nhất.
Các tụ điện hạ áp thường được kết nối theo hình tam giác, tạo thành cấu trúc điển hình cho bộ lọc rẽ nhánh ở hạ áp như hình dưới đây.
Hình 2.7 Cấu trúc bộ lọc và một phần thay thế tương đương
Cấu trúc của bộ lọc không thu hút dòng điện thứ tự không do tụ nối tam giác, dẫn đến hiệu quả lọc các hài triplen thứ tự không kém Để hạn chế các hài này ở hạ áp, cần áp dụng các biện pháp khác.
Các tụ điện trong mạng phân phối thường được nối sao để hạn chế hài triplen Việc lắp đặt một cuộn kháng tại trung tính của bộ tụ là phương pháp phổ biến nhằm lọc bỏ hài thứ tự không.
BỘ LỌC SỐ
Các hệ thống LTI (Linear Time Invariable) và mạch lọc số được biểu thị qua các bộ nhân, bộ cộng và bộ trễ đơn vị, tạo thành sơ đồ dòng tín hiệu Sơ đồ này thực hiện các phép toán xác định, được mô tả bằng phương trình sai phân hoặc hàm truyền của hệ thống Mặc dù có nhiều cấu trúc khác nhau, luôn tồn tại một cấu trúc tối ưu, hay còn gọi là cấu trúc chính tắc, với số lượng bộ nhân, bộ cộng và bộ trễ đơn vị tối thiểu Việc thiết lập cấu trúc này là bước đầu tiên trong quá trình triển khai phần cứng và phần mềm cho mạch lọc số.
Lọc tuyến tính và bất biến thời gian (LTI) được xác định bởi đáp ứng xung h(n), trong đó tín hiệu ra từ hệ thống là tổng chập của h(n) với tín hiệu vào x(n) Để liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, người ta thường sử dụng phương trình hiệu Các cấu trúc mạch lọc được phân chia thành hai loại chính: IIR (Infinite Impulse Response) và FIR (Finite Impulse Response) Bài viết sẽ lần lượt phân tích cấu trúc của hai loại mạch này.
Các bộ lọc số IIR có đáp ứng xung dài vô hạn và được mô tả bằng phương trình sai phân như sau:
(2.1) Đối với bộ lọc LTI nhân quả thì M ≤ N, ở đây N là bậc của mạch lọc số
2.4.1.1 Cấu trúc dạng trực tiếp của bộ lọc IIR
Lấy biến đổ z phương trình sai phân (2.1) và sau đó lập tỉ số Y(z)/X(z) ta sẽ thu được hàm truyền của mạch lọc này:
Cấu trúc trực tiếp của bộ lọc IIR bao gồm các thành phần như bộ cộng, bộ nhân và bộ trễ đơn vị, được thể hiện qua phương trình sai phân Cụ thể, cấu trúc này liên quan đến các yếu tố x[n], y[n], b0, b1, b2 và a1.
Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp 1 của mạch lọc IIR bậc N
Bây giờ nếu thực thi hàm truyền H 2 (z) trước, sau đó đến H 1 (z) có nghĩa là thực hiện hàm truyền H(z) dưới dạng sau:
H(z) = H 2 (z).H 1 (z) (2.6) Thì sẽ thu được cấu trúc dạng trực tiếp 2 của mạch lọc IIR x[n] y[n] b 0 b 1 b 2 a 1
Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp 2 của mạch lọc IIR
Sau khi thu được dạng cấu trúc 2 ta thực hiện phép chuyển vị sao cho
H1(z) thực hiện trước rồi mới đến H2(z), có nghĩa là ta thực thi làm hàm truyền H(z) dưới dạng:
2.4.1.2 Cấu trúc dạng nối tiếp của bộ lọc IIR
Trong nhiều ứng dụng thực tế, hàm truyền của mạch lọc bạc N thường được phát triển thành tích các hàm truyền bậc hai Việc thực hiện dạng khai triển này giúp thu được cấu trúc trực tiếp cho các hệ thống bậc hai.
Thật vậy hàm truyền H(z) từ (2.2) có thể khai triển dưới dạng sau:
L N Vậy nếu N lẻ thì ngoài các hệ thống bậc hai còn có một hệ thống bậc nhất ghép nối tiếp và
Là hàm truyền của mạch lọc bậc hai thứ i x[n] y[n] b 11 b 21 a 11
Hình 2 15 Sơ đồ cấu trúc nối tiếp của mạch lọc IIR bậc 4
2.4.1.3 Cấu trúc dạng song song của bộ lọc IIR
Nếu phân tích các hàm truyền H(z) của mạch lọc IIR bậc N (2.2) thành tổng các hàm truyền bậc hai như sau:
Khi L lớn, cấu trúc sẽ bao gồm các hệ thống bậc hai ghép song song với nhau Trong trường hợp N là số lẻ, ngoài các hệ thống bậc hai, còn có sự xuất hiện của các hệ thống bậc nhất cũng được ghép song song với nhau, tạo nên mạch lọc bậc hai phức tạp.
2 thứ I có hàm truyền dạng:
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc dạng song song của mạch lọc IIR bậc 4
Mạch lọc FIR bậc M có hàm truyền H(z) dạng như sau:
Quan hệ giữa tín hiệu vào x[n] và tín hiệu mối ra y[n] được biểu thị bằng phương trình sai phân bậc M:
] [ (1.12) Ở đây hệ số bm (m = 0, 1, …, M) cũng chính là đáp ứng xung đơn vị của mạch lọc
2.4.2.1 Cấu trúc dạng trực tiếp của bộ lọc FIR
Phương pháp thường được sử dụng nhất để thực hiện bộ lọc FIR là phương pháp dạng trực tiếp (direct form), phương pháp này tận dụng đường trì hoãn rẽ nhánh (tapped delay line) để thực hiện quá trình lọc tín hiệu.
Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc dạng trực tiếp của mạch lọc FIR bậc M
Cấu trúc này yêu cầu M phép nhân, M phép cộng và M trì hoãn Tuy nhiên, nếu có sự đối xứng trong đáp ứng xung đơn vị, số lượng phép nhân có thể được giảm bớt.
2.4.2.2 Cấu trúc nối tiếp của bộ lọc FIR
Nếu phân tích hàm truyền H(z) từ (2.11) thành tích các hàm truyền bậc hai dưới dạng:
Hình 2.18 Sơ đồ mạch lọc FIR bậc 6 ghép nối tiếp
Mạch lọc FIR được thực hiện bằng cách kết nối các mạch lọc bậc hai theo dạng nối tiếp Đối với trường hợp M lẻ, bên cạnh các mạch lọc bậc hai, còn có một mạch lọc bậc nhất được ghép nối tiếp.
2.4.2.3 Cấu trúc mạch lọc FIR pha tuyến tính
Nếu bộ lọc FIR thỏa mãn điều kiện đối xứng h[n] = ± h[M-n] với n = 0, 1, 2, …, M-1, thì có thể giảm một nửa số bộ nhân hệ số trong sơ đồ dòng tín hiệu.
Hình 2.19 Cấu trúc mạch lọc FIR pha tuyến tính
Trong chương này, chúng ta đã khám phá các loại bộ lọc, nhận diện ưu điểm và nhược điểm của chúng Bên cạnh các bộ lọc thường dùng trong truyền động điện, chúng ta cũng tìm hiểu về bộ lọc số Qua đó, ta nhận thấy tầm quan trọng và cách sử dụng bộ lọc một cách hiệu quả Các nhà khoa học đã nghiên cứu nguyên nhân gây ra sóng hài và dao động, từ đó phát triển các bộ lọc để khắc phục vấn đề này, đáp ứng nhu cầu thực tiễn.
Ngày nay, bộ lọc ngày càng phổ biến và sự xuất hiện của công nghệ no đã mang lại bước tiến lớn, hỗ trợ các doanh nghiệp đạt hiệu quả tối ưu trong sản xuất.