Biến tần cổ điển, từng bước tiếp cận

[thaithutrang]

Mong các anh chị giúp các em thế hệ sau tiếp cận tốt về vấn đề này

[namqn]

Biến tần (theo cách gọi của người Việt nam) cổ điển là bộ nghịch lưu dùng để truyền động động cơ không đồng bộ (3 pha). Vì công suất của động cơ 3 pha thường đủ lớn để gọi là công suất lớn trong điện tử công suất, do đó nguồn cung cấp cho biến tần thường được lấy từ lưới điện (1 pha hay 3 pha). Do đó, biến tần thực tế gồm một bộ chỉnh lưu để tạo điện áp nguồn DC cho bộ nghịch lưu, có nhiệm vụ tạo ra hệ dòng điện 3 pha có tần số và độ lớn thay đổi được (như vậy sẽ giúp điều khiển được tốc độ và mômen của động cơ).
Với nguyên lý chính thông qua 2 giai đoạn biến đổi: AC-DC và DC-AC, các biến tần cổ điển thường sử dụng tụ DC-link lớn. Các bạn, nếu có dịp, cứ nhìn vào ruột của các biến tần cổ điển sẽ thấy rất nhiều tụ điện giải (electrolytic) kích thước khá lớn.
Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. Những vấn đề chính cần giải quyết đối với bộ chỉnh lưu là cách thức điều chỉnh công suất đầu ra, hệ số công suất ở đầu vào, độ méo dạng sóng đầu vào.
Bộ nghịch lưu có thể ở dạng nguồn dòng (CSI) hay nguồn áp (VSI), tuy nhiên hiện nay phổ biến là loại bộ nghịch lưu nguồn áp. Những vấn đề chính cần giải quyết là cách thức điều chỉnh tần số và điện áp ngõ ra (tôi đang nói đến VSI), cách giảm tổn thất chuyển mạch để nâng cao hiệu suất, cũng như nâng cao tần số chuyển mạch để giảm kích thước của bộ biến đổi.
Tôi sẽ nói chi tiết hơn ở từng phần, ở đây chỉ cung cấp một cái nhìn tổng quát về biến tần cổ điển.

Thân,

[ToanThang88]

Lấy ví dụ biến tần dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha đi cho dễ tiếp cận.

Theo em, biến tần cổ điển dùng để điều khiển động cơ là biến tần trong đó có sử dụng những linh kiện cổ điển ví dụ như thyristor để đóng cắt chẳng hạn, và thực hiện những giải pháp điều khiển cổ điển: như phương pháp direct converter, cyclo converter, six-steps..... Ngày nay có Mosfet, IGBT, và những mạch lái tích hợp công nghệ CMOS thực hiện tốt những giải pháp mới như sin-pwm, điều chế vector không gian, nghịch lưu đa bậc, matrix converter, kết quả là biến tần có hiệu suất cao hơn, tổn hao thấp hơn....

Đó chỉ là quan niệm của em thôi, chắc mỗi người có một cái nhìn khác nhau.

Bác namqn ơi, bác giải thích không có hình minh họa, khó hiểu lắm bác ạ. Em giúp bác cái này.

[ToanThang88]

Có hai giải pháp phổ biến. Ta nghiên cứu hai cái này được không bác.

[ToanThang88]

Khe khe...quên post hình.

[namqn]

Mạch mô phỏng đẹp đấy! Cám ơn bạn nhé.

Tôi đang nói tổng quan, đi dần đến sơ đồ khối, sau đó phân tích cách hiện thực từng khối trong thực tế. Tôi dựa vào sách vở, chẳng có kinh nghiệm thực tế là mấy. Ai có kinh nghiệm thực tế thì xin chia xẻ ở đây.

Phân chia cổ điển với hiện đại theo linh kiện thì không hẳn chính xác. Cũng có sơ đồ dùng MOSFET hay IGBT mà vẫn được gọi là cổ điển đấy, và cũng không thiếu những sơ đồ hiện đại dùng thyristor (vì công suất quá lớn, MOSFET hay IGBT chưa đáp ứng được).

Thân,

[ToanThang88]

khà khà....Cảm ơn lời khen của bác. Có thể giúp bác được gì trong luồng này, em sẵn sàng.

[namqn]

khà khà....Cảm ơn lời khen của bác. Có thể giúp bác được gì trong luồng này, em sẵn sàng.

Nhờ bạn thể hiện một pha điện áp ra bất kỳ, và một pha dòng điện vào bất kỳ. Nó sẽ giúp tôi trong những phần sau. Cảm ơn bạn nhiều nhé.

Thân,

[ToanThang88]

Nhờ bạn thể hiện một pha điện áp ra bất kỳ, và một pha dòng điện vào bất kỳ. Nó sẽ giúp tôi trong những phần sau. Cảm ơn bạn nhiều nhé.

Thân,

OK....Có ngay ạ.

[namqn]

Mấy hôm rồi không viết thêm tý nào về lý thuyết, chỉ toàn tranh luận.
Hôm nay viết thêm một ít đây.

Về sơ đồ khối thì có thể thấy qua mạch mô phỏng mà bạn ToanThang88 đã đưa lên ở post #3. Chúng ta có khối chỉnh lưu, mạch lọc LC (với cuộn cảm L và tụ C khá lớn), và khối nghịch lưu.

Chúng ta dùng biến tần để điều khiển tốc độ và mômen của động cơ, vậy đây chắc chắn là bài toán điều khiển. Trong bài toán điều khiển, chúng ta phải nắm rõ đối tượng được điều khiển thì điều khiển mới có hiệu quả (tôi không dám nói đến các lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, hay điều khiển dự đoán, và một mớ lý thuyết điều khiển mà không cần biết đối tượng điều khiển là cái gì). Với tôi thì phải nắm rõ đối tượng cần điều khiển thì mới điều khiển tốt. Dù sao thì chúng ta cũng đang nói về biến tần kinh điển, lúc đó làm gì có mấy cái lý thuyết điều khiển cao siêu kia.

Trở lại vấn đề của chúng ta, cần nắm rõ đối tượng điều khiển, tức là cái động cơ đang được điều chỉnh tốc độ và mômen kia. Nó là một thiết bị điện cơ, nhưng chúng ta chỉ mô phỏng và tính toán trên mạch điện, vậy mạch điện này phải có một phần thể hiện ít nhất là công suất cơ của động cơ chứ.

Bản thân động cơ phản ứng ra sao khi chúng ta đặt một điện áp xung tần số tương đối cao (so với tần số của dòng điện của động cơ). Động cơ không đồng bộ thường được coi như một tải cảm (vì có cuộn dây, và tiêu thụ công suất tác dụng ở một hệ số công suất không cao lắm, đặc biệt ở điều kiện non tải), do vậy mạch tải cảm 3 pha (điện cảm mắc nối tiếp với điện trở) thường được dùng để thay thế cho động cơ trong các mạch mô phỏng.

Vì tính chất cảm, bản thân động cơ phản ứng như một mạch lọc thông thấp, do đó chúng ta có thể dùng các xung điện áp để định dạng cho dòng điện của động cơ. Động cơ chỉ cần có dòng điện tương đối trơn tru là có thể tạo ra mômen ổn định, không làm cho động cơ bị rung mạnh khi vận hành. Dạng sóng điện áp đặt lên động cơ đã được bạn ToanThang88 minh họa trong post #9.

Các thành phần mômen bậc cao (có những bậc làm cho động cơ quay ngược với chiều quay mong muốn) có thể được loại bỏ nếu chúng ta có thể tạo ra một hệ dòng 3 pha hình sin đưa vào động cơ. Cách trực quan nhất là chúng ta tạo ra một sóng mang và điều chế bằng một sóng sin, ở đây chúng ta lợi dụng tính chất lọc thông thấp của động cơ, và như vậy chúng ta có giải thuật điều chế độ rộng xung sin (sin PWM). Giải thuật này được minh họa trong post #3 của bạn ToanThang88.

Hôm nay viết đến đây thôi, còn phải làm việc khác.

Thân,

[daihang86]

Bác toanthang88 lấy điện áp đồng bộ từ nguồn nào thế ? Thực tế em thấy biến tần để có thể thay đổi tần số. Giờ bác có nguồn nhu thế rồi thì cần gì phải dùng biến tần.
(BQT: đoạn này đã bị xóa, đề nghị bạn post bài mang tính xây dựng)

[ToanThang88]

Bác toanthang88 lấy điện áp đồng bộ từ nguồn nào thế ? Thực tế em thấy biến tần để có thể thay đổi tần số. Giờ bác có nguồn nhu thế rồi thì cần gì phải dùng biến tần.

Hiểu được ý của bác nói em chết liền áh? Input là nguồn xoay chiều 3 pha, tần số cố định 50Hz, bình thường mà.

[vth]

Em cũng đang làm đồ án về nghịch lưu áp hay biến tần gián tiếp. Rất mong các bậc tiền bối chỉ giáo và gợi ý. hiện em đang rối tung lên với PWM.
Yêu cầu đồ án là thiết kế bộ nghịch lưu áp với đầu vào 440V; đầu ra 3 pha 220V; tần số ra thay đổi 10-50 Hz, dòng I=5A;
Bác Toanthang88 có thể cho em biết là bác đang dùng phần mềm gì để mô phỏng không. Như yêu cầu đồ án của em thì mô phỏng có khó lắm không.
Em cũng đang bí về mạch điều khiển. Mong nhận được chỉ giáo của các bác

[ToanThang88]

Em cũng đang làm đồ án về nghịch lưu áp hay biến tần gián tiếp. Yêu cầu đồ án là thiết kế bộ nghịch lưu áp với đầu vào 440V; đầu ra 3 pha 220V; tần số ra thay đổi 10-50 Hz, dòng I=5A. Rất mong các bậc tiền bối chỉ giáo và gợi ý.

Khe khe....Em là thuộc thế hệ sau chót của dientuvietnam.net, nên thật sự không dám chỉ giáo ai cả. Cái bác đang làm là thiết kế bộ nghịch lưu điện áp (Một nhánh quan trọng của biến tần). Nếu bác thích thảo luận vấn đề này tại đây, em xin tham gia một chân để cùng trao đổi kiến thức.

hiện em đang rối tung lên với PWM.

hà hà....Cái này cũng có thể thảo luận tại đây nếu bác...."thích".

Bác Toanthang88 có thể cho em biết là bác đang dùng phần mềm gì để mô phỏng không. Như yêu cầu đồ án của em thì mô phỏng có khó lắm không.

he he...Cái phần mềm em dùng để mô phỏng các mạch trên hiện không có bán tại Việt Nam (hàng cực độc ). Không hiểu làm cách nào mà ông anh trai em cùng với một ông thầy trong trường có được 1 phiên bản full. Rồi ông thầy ấy dặn: "không được nói cho bất cứ ai". khe khe....rồi ông anh trai em dặn: "mày mà share cho ai tau đập chết".
Nhưng không sao, em đã khám phá ra (hà hà...chỉ là một phần nho nhỏ): Đây là phần mềm PSIM của hãng POWER-SIMTECH. Nếu không có bản full ta xài bản demo vậy. (Đồ án của bác sử dụng bản demo là quá đủ.)

Bác vào trong này: load free bản demo
http://www.powersimtech.com/download.html

Em cũng đang bí về mạch điều khiển. Mong nhận được chỉ giáo của các bác

khe khe....nếu bác thích, có thể nói chuyện trên này.

[vth]

Cảm ơn bác Toanthang88 đã quan tâm đến vấn đề của em.
Biến tần gián tiếp lấy nguồn từ xoay chiều qua chỉnh lưu rồi lọc rồi nghịch lưu trở lại để trở thành nguồn xoay chiều có tần số thay đổi được nhờ đóng mở các van điều khiển. Ngày nay ta thường dùng IGBT có khả năng điều khiển hoàn toàn với công suất nhỏ. Tuy nhiên dạng điện áp đầu vào và dạng điện áp đầu ra là không giống nhau. Dạng điện áp đầu vào là hình sin, trong khi đó dạng điện áp đầu ra lại là dạng xung vuông và nếu có điều khiển độ rộng xung thì xung vuông đó còn bị băm theo một luật điều khiển nhất định để có thể có điện áp ra như ý.
Ngoài PWM ra còn có phương pháp điều chế vecto không gian. Nghe các anh đi trước nói thì phương pháp này đã có từ lâu chỉ có điều là hôm nay thầy giáo hướng dẫn yêu cầu dùng phương pháp này cho bài tập thiết kế bộ nghịch lưu nên thật sự nó rất mới với mình.
Nói thật là đã đọc rồi nhưng cũng chưa hiểu gì cả, chắc phải đọc lại thêm vài lần nữa và phải có cả sự giúp đỡ của các anh và các bạn nữa. Mong mọi người ủng hộ.
Yêu cầu bài tập : Thiết kế bộ nghịch lưu áp đầu vào là 440V ( mạng 3 pha xoay chiều ); đầu ra là 220V ( cũng 3 pha); dòng I=5A; với tần số ra có thể thay đổi trong khoảng 10-50 Hz.
Không biết là thay đổi PWM thành phương pháp điều chế vecto không gian thì mạch điều khiển có thay đổi gì nhiều không. Vì thiết kế mạch điều khiển cũng không phải chuyện đơn giản, dù đã học điện tử tương tự và điện tử số đi nữa.