Các loại biến tần

Các thiết bị được gọi là bộ chuyển đổi tần số được sử dụng để chuyển đổi điện áp xoay chiều chính có tần số công nghiệp 50/60 Hz thành điện áp xoay chiều có tần số khác. Tần số đầu ra của bộ biến tần có thể rất khác nhau, thường là từ 0,5 đến 400 Hz. Tần số cao hơn là không thể chấp nhận được đối với động cơ hiện đại do tính chất của vật liệu làm lõi stato và rôto.

Loại nào cũng được biến tần bao gồm hai phần chính: phần điều khiển và phần nguồn. Phần điều khiển là một mạch vi mạch kỹ thuật số cung cấp khả năng điều khiển các công tắc của bộ nguồn, đồng thời dùng để điều khiển, chẩn đoán và bảo vệ ổ đĩa được điều khiển và chính bộ chuyển đổi.

Phần cung cấp điện trực tiếp bao gồm các công tắc - bóng bán dẫn hoặc thyristor mạnh mẽ. Trong trường hợp này, bộ biến tần có hai loại: với phần được đánh dấu của dòng điện trực tiếp hoặc với giao tiếp trực tiếp. Bộ chuyển đổi ghép nối trực tiếp có hiệu suất lên tới 98% và có thể hoạt động với điện áp và dòng điện đáng kể.Nói chung, mỗi loại trong số hai loại bộ biến tần được đề cập đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng và có thể hợp lý khi áp dụng loại này hoặc loại kia cho các ứng dụng khác nhau.

giao tiếp trực tiếp

Bộ biến tần có kết nối điện trực tiếp lần đầu tiên xuất hiện trên thị trường, phần nguồn của chúng là bộ chỉnh lưu thyristor có điều khiển, trong đó một số nhóm thyristor khóa nhất định được mở lần lượt và cuộn dây stato được kết nối lần lượt với mạng. Điều này có nghĩa là cuối cùng điện áp cung cấp cho stato có dạng như các phần của sóng hình sin chính được cấp nối tiếp vào cuộn dây.

Điện áp hình sin được chuyển đổi thành điện áp răng cưa ở đầu ra. Tần số thấp hơn nguồn điện — từ 0,5 đến khoảng 40 Hz. Rõ ràng, phạm vi của loại bộ chuyển đổi này bị hạn chế. Các thyristor không khóa yêu cầu các sơ đồ điều khiển phức tạp hơn, làm tăng giá thành của các thiết bị này.

Các bộ phận của sóng hình sin đầu ra tạo ra sóng hài cao hơn và đây là những tổn thất bổ sung và quá nhiệt của động cơ làm giảm mô-men xoắn trục, ngoài ra, nhiễu không yếu xâm nhập vào mạng. Nếu các thiết bị bù được sử dụng, thì chi phí lại tăng lên, kích thước và trọng lượng tăng lên và hiệu suất của bộ chuyển đổi giảm xuống.

Ưu điểm của bộ biến tần với khớp nối điện trực tiếp bao gồm:

• khả năng hoạt động liên tục với điện áp và dòng điện đáng kể;
• khả năng chống quá tải xung;
• Hiệu quả lên tới 98%;
• khả năng ứng dụng trong các mạch điện cao thế từ 3 đến 10 kV và cao hơn nữa.

Trong trường hợp này, tất nhiên, bộ biến tần điện áp cao đắt hơn bộ biến tần điện áp thấp. Trước đây, chúng được sử dụng khi cần thiết - cụ thể là bộ biến đổi thyristor ghép nối trực tiếp.

Với kết nối DC được tô sáng

Đối với các ổ đĩa hiện đại, bộ biến tần có khối DC được đánh dấu được sử dụng rộng rãi hơn cho mục đích điều chỉnh tần số. Ở đây, việc chuyển đổi được thực hiện theo hai bước. Đầu tiên, điện áp nguồn đầu vào được chỉnh lưu và lọc, làm mịn, sau đó đưa đến biến tần, nơi nó được biến đổi thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có biên độ yêu cầu.

Hiệu quả của việc chuyển đổi kép như vậy giảm xuống và kích thước của thiết bị trở nên lớn hơn một chút so với kích thước của bộ chuyển đổi có kết nối điện trực tiếp. Sóng hình sin được tạo ra ở đây bởi một biến tần điện áp và dòng điện tự trị.

Trong bộ chuyển đổi tần số liên kết DC, chốt thyristor hoặc bóng bán dẫn IGBT… Thyristor khóa chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến tần được sản xuất đầu tiên thuộc loại này, sau đó, với sự xuất hiện của các bóng bán dẫn IGBT trên thị trường, chính các bộ chuyển đổi dựa trên các bóng bán dẫn này đã bắt đầu chiếm ưu thế trong các thiết bị điện áp thấp.

Để bật thyristor, một xung ngắn được áp dụng cho điện cực điều khiển là đủ và để tắt nó, cần đặt điện áp ngược vào thyristor hoặc đặt lại dòng chuyển mạch về 0. Cần có một sơ đồ điều khiển đặc biệt - phức tạp và nhiều chiều. Các bóng bán dẫn IGBT lưỡng cực có khả năng điều khiển linh hoạt hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và tốc độ khá cao.

Vì lý do này, bộ chuyển đổi tần số dựa trên bóng bán dẫn IGBT đã giúp mở rộng phạm vi tốc độ điều khiển truyền động: động cơ điều khiển véc tơ không đồng bộ dựa trên bóng bán dẫn IGBT có thể vận hành an toàn ở tốc độ thấp mà không cần cảm biến phản hồi .

Bộ vi xử lý kết hợp với bóng bán dẫn tốc độ cao tạo ra ít sóng hài cao hơn ở đầu ra so với bộ chuyển đổi thyristor. Do đó, tổn thất trở nên nhỏ hơn, cuộn dây và mạch từ quá nóng ít hơn, xung động của rôto ở tần số thấp giảm. Ít tổn thất hơn trong các tụ điện, trong máy biến áp - tuổi thọ của các phần tử này tăng lên. Có ít sai sót hơn trong công việc.

Nếu chúng ta so sánh bộ chuyển đổi thyristor với bộ chuyển đổi bóng bán dẫn có cùng công suất đầu ra, thì bộ thứ hai sẽ nhẹ hơn, kích thước nhỏ hơn và hoạt động của nó sẽ đáng tin cậy và đồng đều hơn. Thiết kế mô-đun của công tắc IGBT cho phép tản nhiệt hiệu quả hơn và cần ít không gian hơn để gắn các phần tử nguồn, ngoài ra, công tắc mô-đun được bảo vệ tốt hơn khỏi các đột biến chuyển mạch, nghĩa là xác suất hư hỏng thấp hơn.

Bộ chuyển đổi tần số dựa trên IGBT đắt hơn vì các mô-đun nguồn là các thành phần điện tử phức tạp để sản xuất. Tuy nhiên, giá cả hợp lý với chất lượng. Đồng thời, số liệu thống kê cho thấy xu hướng giảm giá bóng bán dẫn IGBT hàng năm.

Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần IGBT

Hình này cho thấy sơ đồ của bộ biến tần và đồ thị của dòng điện và điện áp của từng phần tử. Điện áp nguồn có biên độ và tần số không đổi được cấp cho bộ chỉnh lưu, có thể điều khiển hoặc không điều khiển. Sau bộ chỉnh lưu có một tụ điện - bộ lọc điện dung. Hai phần tử này—bộ chỉnh lưu và tụ điện—tạo thành một đơn vị DC.

Từ bộ lọc, một điện áp không đổi hiện được cung cấp cho một biến tần xung tự trị trong đó các bóng bán dẫn IGBT hoạt động. Sơ đồ cho thấy một giải pháp điển hình cho các bộ biến tần hiện đại. Điện áp một chiều được biến đổi thành xung ba pha với tần số và biên độ có thể điều chỉnh được.

Hệ thống điều khiển cung cấp tín hiệu kịp thời cho từng phím và các cuộn dây tương ứng được chuyển tuần tự sang kết nối cố định. Trong trường hợp này, thời lượng kết nối các cuộn dây với kết nối được điều chế thành hình sin. Vì vậy, ở phần trung tâm của nửa chu kỳ, độ rộng của xung là lớn nhất và ở các cạnh - nhỏ nhất. Nó đang xảy ra ở đây điện áp điều chế độ rộng xung trên cuộn dây stato của động cơ. Tần số của PWM thường đạt tới 15 kHz và bản thân các cuộn dây hoạt động như một bộ lọc cảm ứng, do đó dòng điện chạy qua chúng gần như hình sin.

Nếu bộ chỉnh lưu được điều khiển ở đầu vào, thì việc thay đổi biên độ được thực hiện bằng cách điều khiển bộ chỉnh lưu và biến tần chỉ chịu trách nhiệm chuyển đổi tần số. Đôi khi, một bộ lọc bổ sung được cài đặt ở đầu ra của biến tần để làm giảm sóng hiện tại (rất hiếm khi bộ lọc này được sử dụng trong các bộ biến đổi công suất thấp).Dù bằng cách nào, đầu ra là điện áp ba pha và dòng điện xoay chiều với các thông số cơ bản do người dùng xác định.