Giới thiệu về các loại biến tần

Dòng điện xoay chiều (AC) cung cấp điện được sử dụng cho hầu hết các nhu cầu dân cư, thương mại và công nghiệp. Nhưng vấn đề lớn nhất với AC là nó không thể được lưu trữ để sử dụng trong tương lai. Vì vậy, AC được chuyển đổi thành DC và sau đó DC được lưu trữ trong pin và siêu tụ điện. Và bây giờ bất cứ khi nào cần AC, DC một lần nữa được chuyển đổi thành AC để chạy các thiết bị dựa trên AC. Vì vậy thiết bị biến đổi DC thành AC được gọi là Biến tần. Biến tần được sử dụng để chuyển đổi DC thành AC biến đổi. Sự thay đổi này có thể là độ lớn của điện áp, số pha, tần số hoặc độ lệch pha.

Phân loại biến tần

Biến tần có thể được phân thành nhiều loại dựa trên đầu ra, nguồn, loại tải, vv Dưới đây là phân loại đầy đủ của các mạch biến tần:

(I) Theo đặc tính đầu ra

Biến tần sóng vuông
Biến tần sóng sin
Biến tần sóng sin sửa đổi

(II) Theo Nguồn Biến tần

Biến tần nguồn hiện tại
Biến tần nguồn điện áp

(III) Theo loại tải

Biến tần một pha
1. Biến tần nửa cầu
2. Biến tần toàn cầu
Biến tần ba pha
1. Chế độ 180 độ
2. Chế độ 120 độ

(IV) Theo các kỹ thuật PWM khác nhau

Điều chế độ rộng xung đơn giản (SPWM)
Điều chế độ rộng nhiều xung (MPWM)
Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)
Điều chế độ rộng xung hình sin đã sửa đổi (MSPWM)

(V) Theo số lượng mức đầu ra

Biến tần hai cấp thông thường
Biến tần đa cấp

Bây giờ chúng ta sẽ thảo luận về tất cả chúng từng cái một. Bạn có thể kiểm tra thiết kế mạch biến tần AC 12v DC đến 220v mẫu tại đây.

(I) Theo đặc tính đầu ra

Theo đặc tính đầu ra của biến tần, có thể có ba loại biến tần khác nhau.

Biến tần sóng vuông
Biến tần sóng sin
Biến tần sóng sin sửa đổi

1) Biến tần sóng vuông

Dạng sóng đầu ra của điện áp cho biến tần này là sóng vuông. Loại biến tần này ít được sử dụng nhất trong số các loại biến tần khác vì tất cả các thiết bị đều được thiết kế để cung cấp sóng sin. Nếu chúng tôi cung cấp sóng vuông cho thiết bị dựa trên sóng sin, nó có thể bị hỏng hoặc tổn thất rất cao. Giá thành của biến tần này rất thấp nhưng ứng dụng thì rất hiếm. Nó có thể được sử dụng trong các công cụ đơn giản với một động cơ đa năng.

2) Sóng hình sin

Dạng sóng đầu ra của điện áp là sóng sin và nó cho chúng ta một đầu ra rất giống với nguồn cung cấp tiện ích. Đây là ưu điểm chính của biến tần này vì tất cả các thiết bị chúng tôi đang sử dụng đều được thiết kế cho sóng sin. Vì vậy, đây là đầu ra hoàn hảo và đảm bảo rằng thiết bị sẽ hoạt động tốt. Loại biến tần này đắt hơn nhưng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng và thương mại.

3) Sóng sin đã sửa đổi

Cấu tạo của loại biến tần này phức tạp hơn so với biến tần sóng vuông đơn giản nhưng dễ dàng hơn so với biến tần sóng sin thuần túy. Đầu ra của biến tần này không phải là sóng sin thuần túy cũng không phải là sóng vuông. Đầu ra của biến tần như vậy là một số trong hai sóng vuông. Dạng sóng đầu ra không chính xác là sóng hình sin nhưng nó giống hình dạng của sóng hình sin.

(II) Theo Nguồn Biến tần

Biến tần nguồn điện áp
Biến tần nguồn hiện tại

1) Biến tần nguồn hiện tại

Trong CSI, đầu vào là nguồn hiện tại. Loại biến tần này được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp trung thế, nơi bắt buộc phải có dạng sóng dòng điện chất lượng cao. Nhưng CSI không phổ biến.

2) Biến tần nguồn điện áp

Trong VSI, đầu vào là nguồn điện áp. Loại biến tần này được sử dụng trong tất cả các ứng dụng vì nó hiệu quả hơn và có độ tin cậy cao hơn và phản ứng động nhanh hơn. VSI có khả năng chạy động cơ mà không cần giảm định mức.

(III) Theo loại tải

Biến tần một pha
Biến tần ba pha

1) biến tần một pha

Nói chung, phụ tải dân dụng và thương mại sử dụng điện một pha. Biến tần một pha được sử dụng cho loại ứng dụng này. Bộ nghịch lưu một pha được chia thành hai phần;

Biến tần nửa cầu một pha
Biến tần toàn cầu một pha

A) Biến tần nửa cầu một pha

Loại biến tần này bao gồm hai thyristor và hai điốt và kết nối như hình dưới đây.

Trong trường hợp này, tổng điện áp một chiều là Vs và được chia thành hai phần bằng nhau Vs / 2. Thời gian cho một chu kỳ là T giây.

Trong nửa chu kỳ 0

Trong nửa sau của chu kỳ T / 2

Vo = Vs / 2

Bằng phép toán này, chúng ta có thể nhận được dạng sóng điện áp xoay chiều với tần số 1 / T Hz và biên độ đỉnh Vs / 2. Dạng sóng đầu ra là sóng vuông. Nó sẽ được đưa qua bộ lọc và loại bỏ các sóng hài không mong muốn mang lại cho chúng ta dạng sóng sin thuần túy. Tần số của dạng sóng có thể được điều khiển bằng thời gian BẬT (Ton) và thời gian TẮT (Toff) của thyristor.

Độ lớn của điện áp ra bằng một nửa điện áp nguồn và chu kỳ sử dụng nguồn là 50%. Đây là nhược điểm của biến tần nửa cầu và giải pháp này là biến tần toàn cầu.

B) Biến tần toàn cầu một pha

Trong loại biến tần này, bốn thyristor và bốn điốt được sử dụng. Sơ đồ mạch của cầu một pha đầy đủ như hình bên dưới.

Tại một thời điểm hai thyristor T1 và T2 dẫn điện trong nửa chu kỳ đầu 0 <t <T / 2. Trong khoảng thời gian này, điện áp tải là Vs tương tự như điện áp nguồn một chiều.

Trong nửa sau chu kỳ T / 2 <t <T, hai thyristor T3 và T4 dẫn điện. Điện áp tải trong khoảng thời gian này là -Vs.

Ở đây chúng ta có thể nhận được điện áp đầu ra AC giống như điện áp nguồn DC và hệ số sử dụng nguồn là 100%. Dạng sóng điện áp đầu ra là dạng sóng vuông và các bộ lọc được sử dụng để chuyển nó thành sóng sin.

Nếu tất cả các thyristor dẫn điện cùng lúc hoặc theo cặp (T1 và T3) hoặc (T2 và T4) thì nguồn sẽ bị ngắn mạch. Các điốt được kết nối trong mạch như là diode phản hồi vì nó được sử dụng để phản hồi năng lượng cho nguồn DC.

Nếu chúng ta so sánh biến tần cầu đầy đủ với biến tần nửa cầu, đối với tải điện áp nguồn DC đã cho, điện áp đầu ra là hai lần và đầu ra là công suất gấp bốn lần trong biến tần toàn cầu.

2) Biến tần cầu ba pha

Trong trường hợp tải công nghiệp, nguồn điện xoay chiều ba pha được sử dụng và đối với trường hợp này, chúng ta phải sử dụng bộ biến tần ba pha. Trong loại biến tần này, sáu thyristor và sáu điốt được sử dụng và chúng được kết nối như thể hiện trong hình dưới đây.

Nó có thể hoạt động ở hai chế độ tùy theo mức độ của xung cổng.

Chế độ 180 độ
Chế độ 120 độ

A) Chế độ 180 độ

Trong chế độ hoạt động này, thời gian dẫn cho thyristor là 180 độ. Tại bất kỳ thời điểm nào trong khoảng thời gian, ba thyristor (một thyristor từ mỗi pha) ở chế độ dẫn. Hình dạng của điện áp pha là ba dạng sóng bước và hình dạng của điện áp đường dây là một sóng bán bình phương như thể hiện trong hình.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Giai đoạn A	T1	T4	T1	T4
Giai đoạn B	T6	T3	T6	T3	T6
Giai đoạn C	T5	T2	T5	T2	T5
Trình độ	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor tiến hành	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6

Trong hoạt động này, khoảng cách thời gian giữa chuyển đổi của thyristor đi ra và dẫn của thyristor đến bằng không. Vì vậy, sự dẫn truyền đồng thời của thyristor đến và đi là có thể. Dẫn đến ngắn mạch nguồn. Để tránh khó khăn này, chế độ hoạt động 120 độ được sử dụng.

B) Chế độ 120 độ

Trong hoạt động này, tại một thời điểm chỉ có hai thyristor dẫn điện. Một trong các pha của thyristor không được kết nối với cực dương hoặc không được nối với cực âm. Thời gian dẫn cho mỗi thyristor là 120 độ. Hình dạng của điện áp đường dây là dạng sóng ba bước và hình dạng của điện áp pha là dạng sóng bán bình phương.

Giai đoạn A	T1		T4		T1		T4
Giai đoạn B	T6		T3		T6		T3		T6
Giai đoạn C		T2		T5		T2		T5
trình độ	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor tiến hành	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Dạng sóng của điện áp dòng, điện áp pha và xung cổng của thyristor như hình trên.

Trong bất kỳ công tắc điện tử công suất nào, có hai loại tổn thất; mất dẫn và mất chuyển mạch. Suy hao dẫn có nghĩa là mất trạng thái BẬT trong công tắc và suy hao chuyển mạch có nghĩa là mất trạng thái TẮT trong công tắc. Nói chung, tổn thất dẫn truyền lớn hơn tổn thất chuyển mạch trong hầu hết các hoạt động.

Nếu chúng ta xem xét chế độ 180 độ cho một hoạt động 60 độ, ba công tắc mở và ba công tắc đóng. Có nghĩa là tổng tổn thất bằng ba lần mất dẫn cộng với ba lần mất chuyển mạch.

Tổng tổn thất trong 180 độ = 3 (tổn thất dẫn điện) + 3 (tổn thất chuyển mạch)

Nếu chúng ta xem xét chế độ 120 độ cho một hoạt động 60 độ, hai công tắc đang mở và phần còn lại của bốn công tắc đóng. Có nghĩa là tổng tổn thất bằng hai lần tổn thất dẫn cộng với bốn lần tổn thất đóng cắt.

Tổng tổn thất trong 120 độ = 2 (mất độ dẫn) + 4 (tổn thất chuyển mạch)

(IV) Phân loại theo kỹ thuật điều khiển

Điều chế độ rộng xung đơn (PWM đơn)
Điều chế độ rộng nhiều xung (MPWM)
Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)
Điều chế độ rộng xung hình sin đã sửa đổi (MSPWM)

Đầu ra của biến tần là tín hiệu sóng vuông và tín hiệu này không được sử dụng cho tải. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển điện áp đầu ra AC. Điều khiển này có được bằng cách điều khiển thời gian BẬT và TẮT của các công tắc. Trong kỹ thuật PWM, hai tín hiệu được sử dụng; một là tín hiệu tham chiếu và thứ hai là tín hiệu sóng mang hình tam giác. Xung cổng cho các công tắc được tạo ra bằng cách so sánh hai tín hiệu này. Có nhiều loại kỹ thuật PWM khác nhau.

1) Điều chế độ rộng xung đơn (PWM đơn)

Đối với mỗi nửa chu kỳ, xung duy nhất có sẵn trong kỹ thuật điều khiển này. Tín hiệu tham chiếu là tín hiệu sóng vuông và tín hiệu sóng mang là tín hiệu sóng tam giác. Xung cổng cho các bộ chuyển mạch được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu và tín hiệu sóng mang. Tần số của điện áp đầu ra được điều khiển bởi tần số của tín hiệu tham chiếu. Biên độ của tín hiệu tham chiếu là Ar và biên độ của tín hiệu sóng mang là Ac, khi đó chỉ số điều chế có thể được xác định là Ar / Ac. Hạn chế chính của kỹ thuật này là hàm lượng sóng hài cao.

2) Điều chế độ rộng nhiều xung (MPWM)

Hạn chế của kỹ thuật điều chế độ rộng xung đơn được giải quyết bằng nhiều PWM. Trong kỹ thuật này, thay vì một xung, một số xung được sử dụng trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp đầu ra. Cổng được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu và tín hiệu sóng mang. Tần số đầu ra được điều khiển bằng cách điều khiển tần số của tín hiệu sóng mang. Chỉ số điều chế được sử dụng để điều khiển điện áp đầu ra.

Số xung trên một nửa chu kỳ = fc / (2 * f0)

Trong đó fc = tần số của tín hiệu sóng mang

f0 = tần số của tín hiệu đầu ra

3) Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)

Kỹ thuật điều khiển này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Trong cả hai phương pháp trên, tín hiệu tham chiếu là tín hiệu sóng vuông. Nhưng trong phương pháp này, tín hiệu tham chiếu là tín hiệu sóng sin. Xung cổng cho các bộ chuyển mạch được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu sóng sin với sóng mang hình tam giác. Độ rộng của mỗi xung thay đổi theo sự biến thiên của biên độ sóng sin. Tần số của dạng sóng đầu ra giống như tần số của tín hiệu tham chiếu. Điện áp đầu ra là sóng hình sin và điện áp RMS có thể được điều khiển bằng chỉ số điều chế. Dạng sóng như thể hiện trong hình bên dưới.

4) Điều chế độ rộng xung hình sin đã sửa đổi (MSPWM)

Do đặc tính của sóng sin, độ rộng xung của sóng không thể thay đổi với sự thay đổi của chỉ số điều chế trong kỹ thuật SPWM. Đó là lý do, kỹ thuật MSPWN được giới thiệu. Trong kỹ thuật này, tín hiệu sóng mang được áp dụng trong khoảng thời gian 60 độ đầu tiên và cuối cùng của mỗi nửa chu kỳ. Bằng cách này, đặc tính sóng hài của nó được cải thiện. Ưu điểm chính của kỹ thuật này là tăng thành phần cơ bản, giảm số lượng thiết bị chuyển mạch nguồn và giảm tổn thất chuyển mạch. Dạng sóng như trong hình dưới đây.

(V) Theo số cấp độ ở đầu ra

Biến tần hai cấp thông thường
Biến tần đa cấp

1) Biến tần hai cấp thông thường

Các bộ biến tần này chỉ có các mức điện áp ở đầu ra là điện áp đỉnh dương và điện áp đỉnh âm. Đôi khi, có mức điện áp bằng không còn được gọi là bộ nghịch lưu hai mức.

2) Biến tần đa cấp

Các bộ biến tần này có thể có nhiều mức điện áp ở đầu ra. Biến tần đa cấp được chia thành bốn phần.

- Biến tần tụ điện bay

- Biến tần kẹp diode

- Biến tần lai

- Biến tần kiểu H xếp tầng

Mỗi biến tần đều có thiết kế riêng để hoạt động, ở đây chúng tôi đã giải thích sơ qua về các biến tần này để có được những ý tưởng cơ bản về chúng.