Biến tần điện áp là gì, nguyên lý hoạt động, công dụng của biến tần

Bộ nguồn điện tử đặc biệt được gọi là bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Thông thường, một biến tần chuyển đổi điện áp DC có cường độ này thành điện áp AC có cường độ khác.

Do đó, biến tần là một máy phát điện áp thay đổi định kỳ, trong khi dạng sóng điện áp có thể là hình sin, gần hình sin hoặc xung... Biến tần được sử dụng như một thiết bị độc lập và là một phần của hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS).

Ví dụ, là một phần của nguồn điện liên tục (UPS), bộ biến tần cho phép nhận nguồn điện liên tục cho hệ thống máy tính và nếu điện áp đột ngột biến mất trong mạng, bộ biến tần sẽ ngay lập tức bắt đầu cung cấp năng lượng thu được từ pin dự phòng cho máy tính. Ít nhất người dùng sẽ có thời gian để tắt và tắt máy tính.

Các bộ nguồn liên tục lớn hơn sử dụng bộ biến tần mạnh hơn với pin dung lượng lớn có thể cung cấp năng lượng tự động cho người tiêu dùng trong nhiều giờ bất kể lưới điện và khi lưới điện trở lại bình thường, UPS sẽ tự động chuyển người tiêu dùng trực tiếp sang nguồn điện và pin sẽ bắt đầu sạc.

mặt kỹ thuật

Trong các công nghệ chuyển đổi điện năng hiện đại, biến tần chỉ có thể hoạt động như một bộ phận trung gian, trong đó chức năng của nó là chuyển đổi điện áp thông qua biến đổi tần số cao (hàng chục và hàng trăm kilohertz). May mắn thay, ngày nay vấn đề này có thể được giải quyết dễ dàng, bởi vì để phát triển và thiết kế bộ biến tần, cả hai công tắc bán dẫn có khả năng chịu được dòng điện hàng trăm ampe, lõi từ với các thông số cần thiết và vi điều khiển điện tử được thiết kế đặc biệt cho bộ biến tần (bao gồm cả bộ cộng hưởng).

Các yêu cầu đối với bộ biến tần, cũng như đối với các thiết bị điện khác, bao gồm: hiệu suất cao, độ tin cậy, kích thước và trọng lượng nhỏ nhất có thể. Biến tần cũng cần phải chịu được mức cho phép của sóng hài cao hơn trong điện áp đầu vào và không tạo ra tiếng ồn xung lớn không thể chấp nhận được cho người dùng.

Trong các hệ thống có nguồn điện “xanh” (tấm năng lượng mặt trời, cối xay gió) để cấp điện trực tiếp lên lưới chung, người ta sử dụng bộ biến tần nối lưới, có thể hoạt động đồng bộ với lưới điện công nghiệp.

Trong quá trình hoạt động của biến tần điện áp, nguồn điện áp không đổi được kết nối định kỳ với mạch tải có cực tính thay đổi, trong khi tần số của các kết nối và thời lượng của chúng được hình thành bởi tín hiệu điều khiển đến từ bộ điều khiển.

Bộ điều khiển trong biến tần thường thực hiện một số chức năng: điều chỉnh điện áp đầu ra, đồng bộ hóa hoạt động của các công tắc bán dẫn, bảo vệ mạch khỏi quá tải. Nói chung, bộ biến tần được chia thành: bộ biến tần độc lập (bộ biến tần dòng điện và điện áp) và bộ biến tần phụ thuộc (điều khiển bằng lưới, điều khiển bằng lưới, v.v.).

mạch biến tần

Công tắc bán dẫn của biến tần được điều khiển bởi bộ điều khiển và có điốt đảo chiều. Điện áp đầu ra của biến tần, tùy thuộc vào công suất hiện tại của tải, được điều chỉnh bằng cách tự động thay đổi độ rộng xung trong bộ biến tần cao tần, trong trường hợp đơn giản nhất PWM (Điều chế độ rộng xung).

Các nửa sóng của điện áp tần số thấp đầu ra phải đối xứng để các mạch tải không nhận được một thành phần không đổi đáng kể trong bất kỳ trường hợp nào (đối với máy biến áp, điều này đặc biệt nguy hiểm), vì độ rộng xung của khối LF (trong trường hợp đơn giản nhất) được thực hiện không đổi.

Khi điều khiển các công tắc đầu ra của biến tần, một thuật toán được sử dụng để đảm bảo thay đổi tuần tự các cấu trúc của mạch nguồn: trực tiếp, ngắn mạch, đảo ngược.

Bằng cách này hay cách khác, giá trị công suất tải tức thời ở đầu ra của biến tần có đặc tính của sóng tần số kép, do đó nguồn chính phải cho phép chế độ hoạt động như vậy khi dòng điện gợn chạy qua nó và chịu được mức nhiễu tương ứng (tại đầu vào biến tần).

Nếu các bộ biến tần đầu tiên chỉ là cơ khí, thì ngày nay có rất nhiều lựa chọn cho mạch biến tần bán dẫn và chỉ có ba sơ đồ điển hình: cầu không có máy biến áp, đẩy với cực 0 của máy biến áp, cầu có máy biến áp.

Mạch cầu không biến áp được tìm thấy trong bộ nguồn liên tục 500 VA và bộ biến tần ô tô. Mạch trượt với cực trung tính của máy biến áp được sử dụng trong UPS công suất thấp (dành cho máy tính) công suất lên đến 500 VA, nơi điện áp của ắc quy dự phòng là 12 hoặc 24 volt. Mạch cầu với máy biến áp được sử dụng trong các nguồn cung cấp điện liên tục mạnh mẽ (cho các đơn vị và hàng chục kVA).

Dạng sóng điện áp đầu ra

Trong bộ biến tần điện áp hình chữ nhật, một nhóm công tắc đi-ốt ngược được bật ở đầu ra để tạo ra điện áp xoay chiều trên tải và cung cấp chế độ lưu thông có kiểm soát trong mạch năng lượng phản ứng.

Những điều sau đây chịu trách nhiệm về tỷ lệ của điện áp đầu ra: thời lượng tương đối của các xung điều khiển hoặc sự dịch pha giữa các tín hiệu điều khiển của các nhóm chính. Ở chế độ lưu thông công suất phản kháng không kiểm soát, người dùng ảnh hưởng đến hình dạng và độ lớn của điện áp đầu ra của biến tần.

Trong các bộ biến tần điện áp có đầu ra dạng bậc, bộ biến đổi trước tần số cao tạo thành một đường cong điện áp bậc đơn cực, có hình dạng xấp xỉ gần giống với sóng hình sin có chu kỳ bằng một nửa chu kỳ của điện áp đầu ra. Sau đó, mạch cầu LF chuyển đổi đường cong bước đơn cực thành hai nửa của đường cong lưỡng cực gần giống với sóng hình sin.

Trong các bộ biến tần điện áp có đầu ra hình sin (hoặc gần hình sin), bộ chuyển đổi trước tần số cao tạo ra một điện áp không đổi có biên độ gần với đầu ra hình sin trong tương lai.

Sau đó, mạch cầu tạo thành một biến tần tần số thấp từ một điện áp không đổi, bằng nhiều PWM, khi mỗi cặp bóng bán dẫn trong mỗi nửa chu kỳ hình thành, sóng hình sin đầu ra được mở nhiều lần trong một khoảng thời gian thay đổi theo quy luật hài hòa . Bộ lọc thông thấp sau đó trích xuất một hình sin từ dạng sóng kết quả.

Mạch tiền chuyển đổi HF trong bộ biến tần

Các mạch tiền chuyển đổi tần số cao đơn giản nhất trong bộ biến tần là tự tạo. Chúng khá đơn giản về mặt triển khai kỹ thuật và khá hiệu quả ở công suất thấp (lên đến 10-20 W) để cung cấp cho các tải không quan trọng đối với quá trình cung cấp điện. Tần số của các bộ dao động không quá 10 kHz.

Phản hồi tích cực trong các thiết bị như vậy thu được bằng cách bão hòa mạch từ của máy biến áp. Nhưng đối với các bộ biến tần mạnh mẽ, các sơ đồ như vậy không được chấp nhận, vì tổn thất trong các công tắc tăng lên và hiệu quả cuối cùng là thấp.Ngoài ra, bất kỳ sự đoản mạch nào ở đầu ra đều làm gián đoạn quá trình tự dao động.

Các mạch tốt hơn của bộ chuyển đổi tần số cao sơ ​​bộ là flyback (tối đa 150 W), kéo đẩy (tối đa 500 W), nửa cầu và cầu (hơn 500 W) của bộ điều khiển PWM, trong đó tần số chuyển đổi lên tới hàng trăm của kilohertz.

Các loại biến tần, phương thức hoạt động

Biến tần điện áp một pha được chia thành hai nhóm: với sóng hình sin thuần túy ở đầu ra và với sóng hình sin đã sửa đổi... Hầu hết các thiết bị hiện đại đều cho phép dạng tín hiệu mạng đơn giản hóa (sóng hình sin đã sửa đổi).

Sóng hình sin thuần túy rất quan trọng đối với các thiết bị có động cơ điện hoặc máy biến áp ở đầu vào hoặc nếu đó là một thiết bị đặc biệt chỉ hoạt động với sóng hình sin thuần túy ở đầu vào.

Biến tần ba pha thường được sử dụng để tạo ra dòng điện ba pha cho động cơ điện, ví dụ như nguồn điện động cơ không đồng bộ ba pha… Trong trường hợp này, các cuộn dây của động cơ được kết nối trực tiếp với đầu ra của biến tần. Về công suất, biến tần được chọn dựa trên giá trị cao nhất của nó đối với người dùng.

Nói chung, có ba chế độ hoạt động của biến tần: khởi động, liên tục và quá tải. Ở chế độ khởi động (sạc công suất, khởi động tủ lạnh), công suất có thể tăng gấp đôi định mức của biến tần trong một phần giây, điều này có thể chấp nhận được đối với hầu hết các kiểu máy. Chế độ liên tục - tương ứng với giá trị định mức của biến tần. Chế độ quá tải — khi công suất của người dùng gấp 1,3 lần công suất định mức — ở chế độ này, trung bình biến tần có thể hoạt động trong khoảng nửa giờ.