Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần ( công nghệ inverter) – Trung Tâm Dạy Nghề Thanh Xuân – Hotline 0936989090

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

– Biến tần được cấu trúc từ những bộ phận có công dụng nhận nguồn điện có điện áp đầu vào cố định và thắt chặt với tần số cố định và thắt chặt, từ đó đổi khác thành nguồn điện có điện áp và tần số biến thiên ba pha ( hoàn toàn có thể biến hóa ) để điều khiển và tinh chỉnh vận tốc động cơ .

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động giải trí cơ bản của bộ biến tần được biểu lộ qua 2 quy trình 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 quy trình hoạt động giải trí của biến tần, ta hoàn toàn có thể rút ra cấu trúc biến tần gồm mạch chỉnh lưu, mạch một chiều trung gian ( DC link ), mạch nghịch lưu và phần tinh chỉnh và điều khiển. Từ đó, ta hoàn toàn có thể chi tiết cụ thể hóa thành những bộ phận chính như sau :

1. Bộ chỉnh lưu

– Phần tiên phong trong quy trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong ước cho động cơ là quy 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 tựa như với những bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó dòng điện xoay chiều 1 pha ( AC ) được quy đổi thành 1 chiều ( DC ). Tuy nhiên, cầu đi-ốt được sử dụng trong biến tần cũng hoàn toàn có thể thông số kỹ thuật đi-ốt bổ trợ để cho phép quy đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều .
– Các đi-ốt chỉ được cho phép dòng điện đi theo một hướng, vì thế 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 khám phá nguyên lý này bằng cách đơn thuần 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 được 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 quy 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 nguồn 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 bộc lộ 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 lý giải bằng tải điện trở, nhưng trong những ứng dụng trong thực tiễn 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 tiếp nối đuôi nhau để chặn dòng điện xung kích trong thời hạn ngắn sau khi nguồn điện được bật lên .
– Do hoạt động giải trí theo mục tiêu này, điện trở bị ngắn mạch qua hai đầu nối của nó để sản sinh ra một mạch để bỏ lỡ điện trở .
– Mạch này được nhắc đến là mạch số lượng giới hạn dòng điện xung kích .

– Nếu mạch số lượng giới hạn dòng điện xung kích được sử dụng, giá trị đỉnh dòng điện hoàn toàn 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 nguồn 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 diễn 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 tàng trữ điện áp 1 chiều đã chỉnh lưu. Một tụ điện hoàn toàn có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo thông số kỹ thuật tuyến dẫn 1 chiều sẽ làm tăng điện dung .
– Điện áp đã tàng trữ sẽ được sử dụng trong quá trình 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 tàng trữ nguồn năng lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn dây và chống đổi khác 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 được cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn .
– Cuộn kháng dòng xoay chiều hoạt động giải trí như một bộ hoãn xung để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu nguồn và xung gây ra do bật / tắt những tải điện cảm khác bằng bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ .
– Nhược điểm khi sử dụng cuộn kháng AC là ngân sách tăng thêm, cần nhiều khoảng trống để lắp ráp và nhiều lúc là giảm hiệu suất .
– Trong 1 số ít những trường hợp khác, cuộn kháng dòng xoay chiều hoàn toàn 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 thiết yếu do hiệu suất hoạt động giải trí tốt của công nghệ tiên tiến IGBT .

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

– Cuộn kháng một chiều số lượng giới hạn vận tốc biến hóa dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều. Việc giảm vận tốc biến hóa này sẽ được cho phép biến tần phát hiện những sự cố tiềm ẩn đang chuẩn bị sẵn sàng xảy ra và kịp thời ngưng / ngắt động cơ ra .
– Cuộn kháng một chiều thường được lắp ráp giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên những bộ biến tần 7,5 kW trở lên. Cuộn kháng một chiều hoàn toàn có thể nhỏ và rẻ hơn cuộn kháng xoay chiều .
– Cuộn kháng một chiều giúp hiện tượng kỳ lạ méo sóng hài và dòng chồng không làm hỏng tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không phân phối bất kể 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 thuần về điện áp xoay chiều 1 pha như sau :
– Bốn công tắc nguồn, S1 đến S4 được nối với nguồn điện áp DC, trong đó những công tắc nguồn S1 / S4 được ghép với nhau và những công tắc nguồn S2 / S3 cũng tương tự như. Khi những cặp công tắc nguồn được bật, tắt, dòng điện đi qua đèn như trong biểu đồ dưới đây :

Dạng sóng dòng điện :
– Khi những công tắc nguồn S1 và S4 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng A .
– Khi những công tắc nguồn S2 và S3 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng B .
Nếu hoạt động giải trí của những công tắc nguồn này lặp lại theo một chu kỳ luân hồi định sẵn, hướng đi của dòng điện sẽ biến hóa qua lại để tạo ra dòng điện xoay chiều .

b. Tần số được thay đổi như thế nào?

– Tần số đổi khác khi bạn đổi khác khoảng chừng thời hạn BẬT và TẮT những công tắc nguồn S1 và S4 .
– Ví dụ, nếu bạn BẬT công tắc nguồn S1 và S4 trong 0,5 giây và sau đó BẬT công tắc nguồn 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 tự với tần số 1 Hz .

– Nói cách khác, tần số được biến hóa khi thời hạn t0 biến hóa .

c. Điện áp được thay đổi bằng cách nào?

– Điện áp ( trung bình ) hoàn toàn có thể được đổi khác bằng cách đổi khác tỷ suất thời hạn BẬT / TẮT những công tắc nguồn bằng cách biến hóa thời hạn chu kỳ luân hồi t0, sang thời hạn chu kỳ luân hồi ngắn hơn để BẬT / TẮT điện áp .
– Tần số cho những xung ngắn này được nhắc đến dưới dạng tần số sóng mang .
– Ví dụ, nếu tỷ suất thời hạn BẬT / TẮT của những công tắc nguồn S1 và S4 bị giảm một nửa thì điện áp ( trung bình ) đầu ra trở thành điện áp AC tương tự với E / 2, hoặc 50% điện áp DC, E .
– Để hạ thấp điện áp ( trung bình ), hãy hạ tỷ suất thời hạn BẬT và để nâng điện áp ( trung bình ) hãy nâng tỷ suất thời hạn BẬT .

– Độ rộng xung tỷ suất BẬT / TẮT sẽ được tinh chỉnh và điều khiển để biến hóa điện áp. Phương thức tinh chỉnh và điều khiển dạng này được nhắc đến dưới dạng điều biến độ rộng xung ( PWM ) và lúc bấy giờ thường được sử dụng trong những 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 diễn dưới đây. Nếu bạn biến hóa thứ tự của sáu công tắc nguồn được BẬT / TẮT, tác dụng sẽ đổi khác U-V, V-W và W-U. Cách này được sử dụng để biến hóa chiều quay của động cơ .

– Lưu ý rằng trong thực tiễn những bộ phận bán dẫn được sử dụng thay cho những công tắc nguồn để biến hóa điện áp, được cho phép những công tắc nguồn BẬT / TẮT ở vận tốc rất cao .

6. Module công suất IGBT

– IGBT là linh phụ kiện hiệu suất bán dẫn, là loại transistor lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giải trí giống như một công tắc nguồn 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 những 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 hoàn toàn có thể được bật và tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin được vận dụng trên sóng mang .
Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm bộc lộ sóng mang và đường tròn biểu lộ 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 hoàn toàn có thể đổi khác .
– PWM hoàn toàn 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 tinh chỉnh và điều khiển vận tốc và mô-men xoắn của động cơ .

7. Điện trở hãm

– Tải có lực quán tính cao và tải thẳng đứng hoàn toàn có thể làm tăng cường động cơ khi động cơ cố chạy chậm hoặc dừng. Hiện tượng tăng cường động cơ này hoàn toàn có thể khiến động cơ hoạt động giải trí 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 giải quyết và xử lý bằng cách nào đó. Điện trở được sử dụng để nhanh gọn “ đốt cháy hết ” lượng điện thừa này được tạo ra bởi hiện tượng kỳ lạ này bằng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt .
– Nếu không có điện trở, mỗi lần hiện tượng kỳ lạ tăng cường này xảy ra, bộ truyền động hoàn toàn có thể ngắt do lỗi Quá áp trên Tuyến dẫn Một chiều .

III. Các đặc tính dạng sóng

Cách biến hóa nguồn vào và đầu ra khi sử dụng máy biến tần ?
· Dòng điện đầu vào : dạng sóng điện nhìn như tai thỏ ( Bao gồm những thành phần có độ dốc cao ) .
· Dòng điện đầu ra : dạng sóng nhìn như một tập hợp những đường thẳng ( hình chữ nhật ). Bao gồm những thành phần tần số cao và những thành phần xung điện áp .
Dạng sóng này được tạo ra từ những hoạt động giải trí BẬT / TẮT của những 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 những nghành nghề dịch vụ công nghiệp vào những năm 1980 là dạng máy biến tần tinh chỉnh và điều khiển V / F .
– Sau này, những chiêu thức điều khiển và tinh chỉnh Vector không cảm ứng ( vận tốc ) được trình làng vào năm 1990 với mục tiêu tăng mô men xoắn trong khoanh vùng phạm vi tinh chỉnh và điều khiển tần số thấp hiệu suất cao hơn điều khiển và tinh chỉnh V / F .
– Công suất máy biến tần tăng lên nhờ những nâng cấp cải tiến về công nghệ tiên tiến phần cứng và công nghệ tiên tiến kim chỉ nan tinh chỉnh và điều khiển gồm có những chất bán dẫn .
– Kiểm soát Vector bằng phản hồi vận tốc ( Encoder ) được vận dụng lần đầu so với những động cơ vào năm 1990 so với những nghành cần điều khiển và tinh chỉnh vận tốc đúng chuẩn cao .
– Các chiêu thức điều khiển và tinh chỉnh máy biến tần nổi bật được nêu trong bảng dưới đây, hầu hết là những chiêu thức tương quan tới điều khiển và tinh chỉnh vận tốc .
– Theo nghĩa rộng, hãy nhớ rằng hiệu suất và độ đúng mực của biến tần tăng lên khi bạn chuyển dần sang phía bên phải của bảng diễn đạt ở dưới chiêu thức tinh chỉnh và điều khiển, tuy nhiên sự linh động và hiệu suất cao kinh tế tài chính sẽ giảm xuống .
– Đối với giải pháp điều khiển và tinh chỉnh không dùng cảm ứng vận tốc ( Sensorless vector ), dưới đây là một trong những giải pháp được tập đoàn lớn Mitsubishi Electric và Shihlin Electric tăng trưởng .

Source: https://dichvubachkhoa.vn
Category : Linh Kiện Và Vật Tư