Cycloconverters - loại, hoạt động và ứng dụng

Nguồn cung cấp có thể được phân thành hai loại lớn, một là nguồn AC và loại kia là nguồn DC. Như chúng ta đã biết chỉ có thể tạo ra nguồn điện xoay chiều và vì nó tiết kiệm hơn nên chúng tôi sử dụng điện xoay chiều để truyền tải và do đó hầu hết các máy / thiết bị điện đều chạy bằng nguồn điện xoay chiều. Nhưng Điện áp và Tần số tiêu chuẩn được cung cấp từ các trạm Phát điện có thể không đủ tốt để điều khiển một số máy Công nghiệp nhất định. Trong những trường hợp đó, chúng tôi sử dụng bộ chuyển đổi và bộ biến tần để chuyển đổi một dạng cung cấp điện thành dạng khác, chẳng hạn như thành định mức điện áp, định mức dòng điện hoặc định mức tần số khác. Cycloconveter là một trong những bộ biến đổi như vậy có thể chuyển đổi điện xoay chiều ở một tần số thành điện xoay chiều có tần số điều chỉnh được. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về cách làm việc và ứng dụng của các Cycloconverters này.

Cycloconverter là gì?

Định nghĩa tiêu chuẩn cho Cycloconverters từ Wikipedia như sau “Một Cycloconverter (CCV) hoặc một Cycloinverter chuyển đổi dạng sóng AC có điện áp không đổi, tần số không đổi thành dạng sóng AC khác có tần số thấp hơn bằng cách tổng hợp dạng sóng đầu ra từ các đoạn của nguồn AC mà không có trung gian DC liên kết"

Một thuộc tính đặc biệt của Cycloconverters là nó không sử dụng liên kết DC trong quá trình chuyển đổi, do đó làm cho nó có hiệu quả cao. Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách sử dụng các công tắc điện tử công suất như Thyristor và chuyển đổi chúng một cách hợp lý. Thông thường các Thyristor này sẽ được tách ra làm hai nửa, nửa dương và nửa âm. Mỗi nửa sẽ được thực hiện để dẫn bằng cách xoay chúng trong mỗi nửa chu kỳ của dạng AC, do đó cho phép dòng điện hai chiều. Bây giờ, hãy tưởng tượng Cycloconverters như một hộp đen lấy nguồn điện xoay chiều có tần số cố định cố định làm đầu vào và cung cấp tần số thay đổi, điện áp thay đổi làm đầu ra như trong hình minh họa bên dưới.

Chúng ta sẽ tìm hiểu những gì có thể xảy ra bên trong hộp đen này khi chúng ta đi qua bài viết.

Tại sao chúng ta cần Cycloconverters?

Được rồi, bây giờ chúng ta biết rằng Cycloconveters chuyển đổi nguồn AC có tần số cố định thành Nguồn AC có tần số thay đổi. Nhưng tại sao chúng ta cần làm như vậy? Lợi thế của việc có một nguồn điện xoay chiều mà Tần số thay đổi là gì?

Câu trả lời cho câu hỏi này là Kiểm soát tốc độ. Cycloconveters được sử dụng rộng rãi để điều khiển các động cơ lớn như loại được sử dụng trong các nhà máy Cán, Máy nghiền bi Xi măng, vv. tăng dần tốc độ của động cơ bằng cách tăng tần số đầu ra. Trước khi phát minh ra Cycloconverters, những động cơ lớn này phải được dỡ tải hoàn toàn và sau đó sau khi khởi động động cơ phải được tải dần dẫn đến tiêu tốn thời gian và điện năng của con người.

Các loại Cycloconveters:

Dựa trên tần số đầu ra và số pha trong nguồn điện xoay chiều đầu vào, Bộ biến tần Cycloconverters có thể được phân loại như sau

1. Bộ chuyển đổi Cycloconverters Step-Up

2. Ste-Down Cycloconverters

1. Bộ chuyển đổi Cycloconverter một pha sang một pha
2. Bộ chuyển đổi Cycloconverter ba pha sang một pha
3. Bộ chuyển đổi Cycloconverter ba pha sang ba pha

Step-Up Cycloconverters: Step-Up CCV, như tên gọi cho thấy loại CCV này cung cấp tần số đầu ra lớn hơn tần số đầu vào. Nhưng nó không được sử dụng rộng rãi vì nó không có nhiều ứng dụng hạt. Hầu hết các ứng dụng sẽ yêu cầu tần số nhỏ hơn 50Hz, đây là tần số mặc định ở Ấn Độ. Ngoài ra Step-Up CCV sẽ yêu cầu chuyển mạch cưỡng bức làm tăng độ phức tạp của mạch.

Step-Down Cycloconverters: Step-Down CCV, như bạn có thể đã đoán nó tốt.. chỉ cung cấp một tần số đầu ra nhỏ hơn tần số đầu vào. Chúng được sử dụng phổ biến nhất và hoạt động với sự trợ giúp của sự hoán vị tự nhiên, do đó tương đối dễ xây dựng và vận hành. Step-Down CCV được phân loại thành ba loại như hình dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng loại trong bài viết này.

Nguyên tắc cơ bản đằng sau Cycloconverters:

Mặc dù có ba loại Cycloconverters khác nhau, hoạt động của chúng rất giống nhau ngoại trừ số lượng công tắc điện tử có trong mạch. Ví dụ: một pha sang CCV một pha sẽ chỉ có 6 công tắc điện tử nguồn (SCR) trong khi CCV ba pha có thể có tối đa 32 công tắc.

Mức tối thiểu cho một Cycloconverter được hiển thị ở trên. Nó sẽ có một mạch Chuyển đổi ở hai bên của Tải, một mạch sẽ hoạt động trong nửa chu kỳ dương của nguồn điện xoay chiều và mạch còn lại sẽ hoạt động trong nửa chu kỳ âm. Thông thường, mạch chuyển đổi sẽ được sử dụng SCR làm thiết bị điện tử công suất, nhưng trong CCV hiện đại, bạn có thể thấy SCR được thay thế bằng IGBT và đôi khi thậm chí là MOSFETS.

Các mạch chuyển đổi cũng sẽ cần một mạch điều khiển, mạch này chỉ dẫn cho thiết bị điện tử Nguồn khi nào thì dẫn và khi nào thì tắt. Mạch điều khiển này thông thường sẽ là một Vi điều khiển và cũng có thể có phản hồi từ đầu ra để tạo thành một hệ thống vòng kín Người dùng có thể điều khiển giá trị của tần số đầu ra bằng cách điều chỉnh các thông số trong mạch điều khiển. để biểu diễn hướng của dòng điện. Mạch chuyển mạch tích cực luôn tạo dòng điện vào tải và mạch chuyển đổi âm luôn tạo dòng điện ra khỏi tải.

Bộ chuyển mạch Cycloconverters một pha sang một pha:

CCV một pha đến một pha rất hiếm khi được sử dụng, nhưng để hiểu hoạt động của CCV, trước tiên cần nghiên cứu để chúng ta có thể hiểu CCV ba pha. CCV một pha thành một pha có hai cặp mạch chỉnh lưu sóng đầy đủ, mỗi cặp gồm bốn SCR. Một bộ được đặt thẳng trong khi bộ kia được đặt theo hướng chống song song như hình bên dưới.

Tất cả các thiết bị đầu cuối cổng của SCR sẽ được kết nối với một mạch điều khiển không được hiển thị trong mạch ở trên. Mạch điều khiển này sẽ chịu trách nhiệm kích hoạt các SCR. Để hiểu hoạt động của mạch, chúng ta hãy giả sử rằng nguồn điện AC đầu vào có tần số 50Hz và Tải là tải điện trở thuần và góc bắn của SCR (α) là 0 °. Vì góc bắn là 0 ° nên SCR khi được bật sẽ hoạt động giống như một diode theo hướng thuận và khi tắt sẽ hoạt động như một diode theo hướng ngược lại. Hãy để chúng tôi phân tích dạng sóng dưới đây để hiểu tần số được giảm xuống như thế nào khi sử dụng CCV

Dạng sóng của tần số điện áp nguồn được ký hiệu là Vs và dạng sóng của tần số điện áp đầu ra được ký hiệu là Vo. Ở đây chúng ta đang cố gắng để chuyển đổi tần số điện áp cung cấp đến 1/4 ^thứ giá trị của nó. Vì vậy, để làm điều đó trong hai chu kỳ đầu tiên của điện áp cung cấp, chúng tôi sẽ sử dụng bộ chỉnh lưu cầu dương và trong hai chu kỳ tiếp theo chúng tôi sẽ sử dụng bộ chỉnh lưu cầu âm. Do đó, chúng ta có bốn xung dương trong vùng tích cực và sau đó là bốn xung trong vùng âm như thể hiện trong dạng sóng tần số đầu ra Vo. Dạng sóng hiện tại cho mạch này sẽ giống dạng sóng điện áp vì tải được giả định là thuần trở. Mặc dù độ lớn của dạng sóng sẽ thay đổi dựa trên giá trị điện trở của tải.

Tần số đầu ra được thể hiện bằng đường nét đứt trên dạng sóng Võ, vì nó thay đổi cực duy nhất cho mỗi hai chu kỳ của dạng sóng đầu vào đầu ra tần số với 1/4 ^ngày của tần số đầu vào, trong trường hợp của chúng tôi cho một tần số đầu vào của các 50Hz tần số đầu ra sẽ là (1/4 * 50) khoảng 12,5Hz. Tần số đầu ra này có thể được điều khiển bằng cách thay đổi cơ chế kích hoạt trong mạch điều khiển.

Bộ chuyển mạch Cycloconverters Ba pha sang Một pha:

CCV ba pha thành một pha cũng tương tự như CCV một pha thành một pha, nhưng ở đây điện áp đầu vào là nguồn cung cấp 3 pha và điện áp đầu ra là nguồn cung cấp một pha có tần số thay đổi. Mạch cũng trông rất giống nhau, ngoại trừ chúng ta sẽ cần 6 SCR trong mỗi bộ Chỉnh lưu vì chúng ta phải chỉnh lưu điện áp xoay chiều 3 pha.

Một lần nữa các thiết bị đầu cuối cổng của SCR sẽ được kết nối với mạch điều khiển để kích hoạt chúng và các giả thiết tương tự được thực hiện lại để hiểu hoạt động dễ dàng. Ngoài ra còn có hai loại CCV ba pha đến một pha, loại thứ nhất sẽ có bộ chỉnh lưu nửa sóng cho cả Cầu dương và Cầu âm và loại thứ hai sẽ có bộ chỉnh lưu toàn sóng như hình trên. Loại đầu tiên không được sử dụng thường xuyên vì hiệu quả kém. Cũng trong loại toàn sóng, cả bộ chỉnh lưu cầu có thể tạo ra điện áp ở cả hai cực, nhưng bộ chuyển đổi tích cực chỉ có thể cung cấp dòng điện (nguồn) theo chiều dương và bộ biến đổi âm chỉ có thể thoát dòng điện theo chiều âm. Điều này cho phép CCV hoạt động ở bốn góc phần tư. Bốn góc phần tư này là (+ V, + i) và (-V, -i) trong chế độ chỉnh lưu và (+ V, -i) và (-V,-i) ở chế độ nghịch đảo.

Biến tần ba pha sang ba pha:

CCV ba pha đến ba pha là những CCV được sử dụng nhiều nhất vì chúng có thể truyền tải trực tiếp ba pha như động cơ. Tải cho CCV ba pha thông thường sẽ là tải kết nối hình sao ba pha giống như cuộn dây stato của động cơ. Bộ chuyển đổi này lấy điện áp xoay chiều ba pha với tần số cố định làm đầu vào và cung cấp điện áp xoay chiều ba pha với tần số thay đổi.

Có hai loại CCV ba pha, loại có bộ chuyển đổi nửa sóng và loại có bộ chuyển đổi sóng đầy đủ. Mô hình bộ chuyển đổi nửa sóng còn được gọi là Bộ chuyển đổi chu kỳ 18 thyristor hoặc Bộ chuyển đổi chu kỳ 3 xung. Bộ chuyển đổi sóng đầy đủ được gọi là Cycloconverters 6 xung hoặc 36-thyristor Cycloconverters. Một bộ chuyển đổi Cycloconverter 3 xung được hiển thị trong hình dưới đây

Ở đây chúng ta có sáu bộ chỉnh lưu trong đó hai bộ được phân bổ cho mỗi pha. Hoạt động của CCV này tương tự như CCV một pha ngoại trừ ở đây các bộ chỉnh lưu chỉ có thể chỉnh lưu một nửa sóng và điều tương tự xảy ra cho cả ba pha

Các ứng dụng:

Cycloconverters có một loạt các ứng dụng công nghiệp, sau đây là một số

• Máy mài
• Máy giặt nặng
• Máy đánh gió mỏ
• HVDC Đường dây điện
• Máy bay cung cấp điện
• SVG (Máy tạo VAR tĩnh)
• Hệ thống đẩy tàu