Đảo ngược mạch chỉnh lưu, nối một đầu với dòng điện một chiều (DC), đầu còn lại có thể dẫn ra dòng điện xoay chiều (AC). Đây là một biến tần, một thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều.
Hầu hết các tải thương mại, công nghiệp và dân dụng đều yêu cầu nguồn điện xoay chiều, nhưng nguồn điện xoay chiều không thể được lưu trữ trong pin và việc lưu trữ pin rất quan trọng đối với nguồn điện dự phòng. Ngày nay, khuyết điểm này có thể được khắc phục bằng nguồn điện một chiều.
Cực tính của nguồn DC không thay đổi theo thời gian như nguồn AC nên nguồn DC có thể được lưu trữ trong pin và siêu tụ điện. Vì vậy, trước tiên chúng ta có thể chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC, sau đó lưu trữ vào pin. Bằng cách này, bất cứ khi nào cần nguồn AC để vận hành các thiết bị AC, nguồn DC sẽ được chuyển đổi trở lại thành nguồn AC để vận hành các thiết bị AC.
Theo nguồn đầu vào, phương thức kết nối, dạng sóng điện áp đầu ra, v.v. của ứng dụng, bộ biến tần được chia thành 17 loại chính sau.
1. Phân loại theo nguồn đầu vào
Đầu vào của biến tần có thể là nguồn điện áp hoặc nguồn dòng điện nên nó được chia thành bộ biến tần nguồn điện áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng điện (CSI).
Biến tần nguồn điện áp (VSI)
Khi đầu vào của biến tần là nguồn điện áp DC không đổi thì biến tần được gọi là biến tần nguồn điện áp.
Đầu vào của bộ biến tần nguồn điện áp có nguồn điện áp DC cứng với trở kháng bằng 0. Trong thực tế, trở kháng của nguồn điện áp DC có thể bỏ qua. Giả sử VSI được cấp nguồn bởi nguồn điện áp lý tưởng (nguồn có trở kháng cực thấp), điện áp đầu ra AC hoàn toàn được xác định bởi trạng thái của các thiết bị chuyển mạch trong biến tần và nguồn điện DC ứng dụng.
Biến tần nguồn hiện tại (CSI)
Khi đầu vào của biến tần là nguồn dòng điện một chiều không đổi thì biến tần được gọi là biến tần nguồn dòng.
Dòng điện cố định được cung cấp từ nguồn điện DC tới CSI, nơi nguồn điện DC có trở kháng cao. Thông thường, cuộn cảm lớn hoặc dòng điện điều khiển vòng kín được sử dụng để cung cấp dòng điện cứng. Sóng dòng điện sinh ra là cứng và không bị ảnh hưởng bởi tải. Dòng điện đầu ra AC hoàn toàn được xác định bởi các thiết bị chuyển mạch trong biến tần và trạng thái của nguồn điện DC được áp dụng.
2. Phân loại theo pha đầu ra
Theo điện áp đầu ra và pha hiện tại, bộ biến tần chủ yếu được chia thành hai loại: bộ biến tần một pha và bộ biến tần ba pha.
Biến tần một pha
Biến tần một pha chuyển đổi đầu vào DC thành đầu ra một pha. Điện áp/dòng điện đầu ra của biến tần một pha chỉ có một pha và tần số danh định của nó là điện áp danh định 50Hz hoặc 60Hz.
Điện áp danh định được định nghĩa là mức điện áp mà hệ thống điện hoạt động. Có nhiều điện áp danh định khác nhau, cụ thể là 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV và 765kV. Điện áp danh định thấp có thể đạt được trực tiếp thông qua việc sử dụng máy biến áp bên trong hoặc bộ biến tần có mạch tăng áp và mạch tăng áp, trong khi đối với điện áp danh định cao, máy biến áp tăng áp bên ngoài được sử dụng.
Bộ biến tần một pha được sử dụng cho tải thấp. Tổn thất một pha cao hơn và hiệu suất một pha thấp hơn bộ biến tần ba pha. Vì vậy, biến tần ba pha là lựa chọn ưu tiên cho phụ tải cao.
Biến tần ba pha
Bộ biến tần ba pha chuyển đổi dòng điện một chiều thành nguồn điện ba pha. Nguồn điện ba pha cung cấp ba kênh nguồn AC với các góc pha được phân tách đồng đều. Biên độ và tần số của cả ba sóng được tạo ra ở đầu ra đều giống nhau nhưng thay đổi đôi chút do tải và mỗi sóng có độ lệch pha 120 độ với nhau.
Về cơ bản, một bộ biến tần ba pha bao gồm ba bộ biến tần một pha, mỗi bộ có khoảng cách pha là 120 độ và mỗi bộ biến tần một pha được kết nối với một trong ba đầu nối tải.
3. Phân loại theo công nghệ chuyển mạch
Theo công nghệ chuyển mạch, nó có thể được chia thành hai loại chính: chuyển mạch đường dây và biến tần chuyển mạch cưỡng bức. Ngoài ra, có thể có bộ biến tần chuyển mạch phụ và bộ biến tần chuyển mạch bổ sung, nhưng vì chúng không được sử dụng phổ biến nên chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn về hai loại chính ở đây.
Đảo ngược dòng
Trong các loại bộ biến tần này, điện áp đường dây của mạch điện xoay chiều có thể được lấy thông qua thiết bị; Khi dòng điện trong SCR có đặc tính bằng 0, thiết bị sẽ tắt. Quá trình chuyển mạch này được gọi là chuyển mạch đường dây và các bộ biến tần hoạt động dựa trên nguyên tắc này được gọi là bộ biến tần chuyển mạch đường dây.
Chuyển đổi cưỡng bức
Trong kiểu chuyển mạch này, sẽ không có điểm 0 trong nguồn điện. Đó là lý do tại sao cần có một số nguồn bên ngoài để khắc phục thiết bị. Quá trình chuyển mạch này được gọi là chuyển mạch cưỡng bức và các bộ biến tần dựa trên quá trình này được gọi là bộ biến tần chuyển mạch cưỡng bức.
4. Phân loại theo phương thức kết nối
Theo phương thức kết nối của thyristor trong mạch, nó có thể được chia thành bộ biến tần nối tiếp, bộ biến tần song song và bộ biến tần cầu, trong đó bộ biến tần cầu được chia thành nửa cầu, toàn cầu và cầu ba pha.
Biến tần dòng
Một bộ biến tần nối tiếp bao gồm một cặp thyristor và mạch RLC (điện trở, điện cảm và điện dung). Một thyristor được mắc song song với mạch RLC và một thyristor được mắc nối tiếp giữa nguồn điện một chiều và mạch RLC. Loại biến tần này được gọi là biến tần nối tiếp vì tải được mắc nối tiếp trực tiếp với nguồn điện DC với sự trợ giúp của thyristor.
Bộ biến tần nối tiếp còn được gọi là bộ biến tần tự chuyển mạch vì các thyristor của loại biến tần này tự chuyển mạch do tải. Một tên gọi khác của biến tần này là 'Biến tần chuyển mạch tải'. Lý do đặt tên này là vì LCR là tải cung cấp sự chuyển mạch.
Biến tần song song
Một biến tần song song bao gồm hai thyristor, một tụ điện, một máy biến áp ở giữa và một cuộn cảm. Thyristor được sử dụng để cung cấp đường dẫn cho dòng điện chạy qua, trong khi cuộn cảm được sử dụng để giữ cho nguồn dòng không đổi. Việc dẫn điện và tắt các thyristor này được điều khiển bởi các tụ điện chuyển mạch nối giữa chúng.
Gọi là biến tần song song vì khi hoạt động, tụ điện được mắc song song với tải thông qua máy biến áp.
Biến tần nửa cầu
Biến tần nửa cầu cần có hai công tắc điện tử để hoạt động. Công tắc có thể là MOSFET, IJBT, BJT hoặc thyristor.Một nửa cầu với các công tắc thyristor và BJT cần có thêm hai điốt, ngoại trừ tải điện trở thuần, trong khi MOSFET có điốt tích hợp. Nói tóm lại, hai công tắc là đủ để đáp ứng tải điện trở thuần, trong khi các tải khác (cuộn cảm và tụ điện) yêu cầu thêm hai điốt. Những điốt này được gọi là điốt phản hồi hoặc điốt tự do.
Nguyên lý làm việc của biến tần nửa cầu là giống nhau đối với tất cả các công tắc, nhưng ở đây chúng ta đang thảo luận về biến tần nửa cầu với các công tắc thyristor. Có hai thyristor bổ sung, có nghĩa là mỗi lần dẫn một thyristor. Đối với tải điện trở, mạch hoạt động ở hai chế độ. Tần số chuyển đổi sẽ xác định tần số đầu ra. Khi tần số đầu ra là 50HZ, mỗi thyristor dẫn điện một lần trong 20ms.
Biến tần toàn cầu
Bộ biến tần toàn cầu một pha có bốn công tắc điều khiển được sử dụng để điều khiển hướng dòng điện trong tải. Cây cầu này có 4 điốt phản hồi có thể cung cấp năng lượng được lưu trữ trong tải cho nguồn điện. Các điốt phản hồi này chỉ hoạt động khi tất cả các thyristor bị tắt và tải không phải là tải điện trở thuần túy.
Đối với bất kỳ tải nào, chỉ có 2 thyristor làm việc cùng một lúc. Thyristor T1 và T2 sẽ dẫn điện trong một chu kỳ, trong khi T3 và T4 sẽ dẫn điện trong một chu kỳ khác. Nói cách khác, khi T1 và T2 ở trạng thái BẬT thì T3 và T4 ở trạng thái TẮT, trong khi khi T3 và T4 ở trạng thái BẬT thì hai cái còn lại ở trạng thái TẮT. Việc mở hai hoặc nhiều thyristor cùng một lúc có thể gây đoản mạch, tạo ra nhiệt quá mức và làm cháy mạch ngay lập tức.
Biến tần cầu ba pha
Các tải trọng công nghiệp và nặng khác yêu cầu nguồn điện ba pha. Để vận hành các tải nặng này từ các thiết bị lưu trữ hoặc các nguồn điện DC khác, cần có bộ biến tần ba pha. Bộ biến tần cầu ba pha có thể được sử dụng cho mục đích này.
Biến tần cầu ba pha là một loại biến tần cầu khác, bao gồm 6 công tắc điều khiển và 6 điốt, như trong hình.
5. Phân loại theo chế độ vận hành
Theo chế độ hoạt động, biến tần được chia thành ba loại chính:
Biến tần độc lập
Biến tần độc lập được kết nối trực tiếp với tải và sẽ không bị gián đoạn bởi các nguồn điện khác. Biến tần độc lập hay còn gọi là "biến tần chế độ tắt lưới", biến tần cung cấp điện cho tải một cách độc lập mà không bị ảnh hưởng bởi lưới điện hay các nguồn điện khác.
Những bộ biến tần này được gọi là bộ biến tần ở chế độ tắt lưới vì chúng không bị ảnh hưởng bởi lưới điện. Các bộ biến tần này không thể kết nối với lưới điện vì chúng không có khả năng đồng bộ hóa, trong đó đồng bộ hóa là quá trình khớp pha và tần số danh định (50/60hz) của hai nguồn điện xoay chiều.
Biến tần nối lưới
Bộ biến tần nối lưới hoặc nối lưới (GTI) có hai chức năng chính. Một chức năng của bộ biến tần nối lưới là cung cấp nguồn điện xoay chiều từ các thiết bị lưu trữ (nguồn điện DC) đến tải AC, trong khi một chức năng khác của bộ biến tần nối lưới là cung cấp thêm nguồn điện cho lưới điện.
Bộ biến tần kết nối lưới, còn được gọi là bộ biến tần tương tác tiện ích, bộ biến tần kết nối lưới hoặc bộ biến tần phản hồi lưới, đồng bộ hóa tần số và pha của dòng điện để thích ứng với lưới điện. Bằng cách tăng mức điện áp của biến tần, nguồn điện được truyền từ nguồn điện DC đến lưới điện.
Biến tần đỉnh kép
Biến tần đỉnh kép có thể hoạt động như một biến tần kết nối lưới và biến tần độc lập. Những bộ biến tần này có thể bơm thêm năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo và thiết bị lưu trữ vào lưới điện, đồng thời lấy điện từ lưới điện khi năng lượng do năng lượng tái tạo tạo ra không đủ. Nói cách khác, các bộ biến tần này có thể hoạt động như bộ biến tần độc lập và bộ biến tần nối lưới theo yêu cầu của phụ tải. Bộ biến tần đỉnh kép có nhiều chức năng, bao gồm chức năng của bộ biến tần độc lập và bộ biến tần nối lưới.
Chức năng của biến tần đỉnh kép sẽ thay đổi theo tải. Nếu lưới điện có vấn đề hoặc khi nguồn năng lượng tái tạo đủ đáp ứng cho phụ tải thì chức năng của nó sẽ được chuyển thành một biến tần độc lập (nó trở thành một biến tần độc lập). Trong trường hợp này, công tắc chuyển sẽ ngắt kết nối biến tần khỏi lưới điện.
Khi năng lượng tái tạo bắt đầu tạo ra năng lượng bổ sung, chế độ vận hành sẽ chuyển từ chế độ độc lập sang chế độ nối lưới. Biến tần đồng bộ hóa pha và tần số của nó với biến tần và bắt đầu bơm thêm năng lượng vào lưới điện.
6. Phân loại theo dạng sóng đầu ra
Biến tần lý tưởng đề cập đến một biến tần chuyển đổi tín hiệu DC thành đầu ra AC hình sin thuần túy. Vấn đề với các bộ biến tần thực tế là tín hiệu đầu ra của chúng không hoàn toàn là hình sin. Theo dạng sóng đầu ra, biến tần được chia thành ba loại:
Biến tần sóng vuông
Đây là những bộ biến tần đơn giản nhất để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều, nhưng dạng sóng đầu ra không phải là sóng hình sin thuần túy cần thiết. Những bộ biến tần này có sóng vuông ở đầu ra. Nói cách khác, các bộ biến tần này chuyển đổi đầu vào DC thành AC dưới dạng sóng vuông. Trong khi đó, biến tần sóng vuông cũng có giá thành rẻ hơn.
Cấu trúc đơn giản nhất của các bộ biến tần này có thể là bộ biến tần cầu H. Như trong hình, việc sử dụng các công tắc SPDT (single push double Throw) trước máy biến áp có thể đạt được phiên bản đơn giản hơn. Máy biến áp này cũng sẽ giúp đạt được bất kỳ mức điện áp đầu ra mong muốn nào.
Hoạt động của một mô hình nhất định là cực kỳ đơn giản. Chỉ cần bật và tắt công tắc sẽ đồng thời thay đổi dòng điện ở đầu ra. Nói cách khác, việc chuyển đổi ném đôi cực đơn ở tần số mong muốn sẽ tạo ra sóng vuông AC ở đầu ra của một biến tần thông thường (tức là máy biến áp trung tâm). Độ méo sóng hài của sóng hình sin điển hình là khoảng 45%, có thể giảm thêm bằng cách sử dụng các bộ lọc để lọc ra một số sóng hài.
Biến tần sóng hình sin
Bộ biến tần sóng hình sin hay còn gọi là bộ biến tần sóng hình sin biến đổi với sóng hình sin bậc thang. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra của các bộ biến tần này tăng dần theo cực dương. Sau khi đạt đến đỉnh dương, tín hiệu đầu ra giảm dần cho đến khi đạt đến đỉnh âm, như trong hình.
Cấu trúc của bộ biến tần sóng gần sin đơn giản hơn nhiều so với bộ biến tần sóng hình sin thuần túy, nhưng phức tạp hơn bộ biến tần sóng vuông thuần túy.
Mặc dù dạng sóng đầu ra cuối cùng của các bộ biến tần này không phải là sóng hình sin thuần túy nhưng độ méo hài của đầu ra vẫn giảm xuống 24%. Quá trình lọc sẽ làm giảm biến dạng hơn nữa, nhưng mức độ biến dạng vẫn còn đáng kể. Vì lý do này, những bộ biến tần này không phải là lựa chọn ưu tiên để điều khiển các loại tải khác nhau, bao gồm cả các mạch điện tử.
Sóng gần như hình sin có thể làm hỏng vĩnh viễn các thiết bị điện tử có bộ hẹn giờ trong mạch. Nếu được kết nối với bộ biến tần sóng hình sin, tất cả các thiết bị điện có động cơ sẽ không hoạt động hiệu quả như những thiết bị được kết nối với bộ biến tần sóng hình sin thuần túy. Ngoài ra, sự chuyển đổi dạng sóng nhanh có thể gây ra nhiễu. Do những vấn đề này, việc áp dụng bộ biến tần sóng gần hình sin bị hạn chế.
Biến tần sóng sin tinh khiết
Một biến tần sin thuần túy chuyển đổi DC thành AC sin gần như thuần túy. Dạng sóng đầu ra của bộ biến tần sóng hình sin thuần túy vẫn không phải là sóng hình sin lý tưởng, nhưng nó mượt mà hơn nhiều so với bộ biến tần sóng vuông và gần như sóng hình sin.
Dạng sóng đầu ra của biến tần sóng hình sin thuần túy có sóng hài cực thấp. Sóng hài là sóng hình sin với bội số lẻ của tần số cơ bản có biên độ khác nhau. Sóng hài rất không được ưa chuộng vì chúng có thể gây ra sự cố nghiêm trọng với nhiều thiết bị điện khác nhau. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều khiển xung điện khác nhau và sau đó truyền tín hiệu đầu ra qua bộ lọc thông thấp, những sóng hài này có thể được giảm hơn nữa.
Cấu trúc và hoạt động của bộ biến tần sóng hình sin thuần túy phức tạp hơn nhiều so với bộ biến tần sóng vuông và sóng vuông biến tính.
Những bộ biến tần này vượt trội hơn hai bộ biến tần đầu tiên vì hầu hết các thiết bị điện đều yêu cầu sóng hình sin thuần túy để hoạt động tốt hơn. Như đã đề cập trước đó, bộ biến tần sóng vuông hoặc sóng gần sin có thể làm hỏng các thiết bị điện, đặc biệt là những thiết bị được trang bị động cơ. Vì vậy, để sử dụng thực tế, người ta sử dụng bộ biến tần sin thuần túy.
7. Phân loại theo số mức đầu ra
Mức đầu ra của bất kỳ biến tần nào có thể có ít nhất hai hoặc nhiều hơn. Theo số lượng mức đầu ra, bộ biến tần được chia thành hai loại: bộ biến tần hai cấp và bộ biến tần đa cấp.
Biến tần hai cấp
Biến tần hai cấp có hai mức đầu ra. Điện áp đầu ra xen kẽ giữa dương và âm và xen kẽ ở tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz).
Một số cái gọi là 'bộ biến tần hai cấp' có ba cấp độ trong dạng sóng đầu ra của chúng. Lý do phân loại bộ biến tần ba cấp vào loại này là vì một trong các cấp có điện áp bằng 0. Trên thực tế, số 0 là cấp độ thứ ba, nhưng nó vẫn được phân loại là biến tần hai giai đoạn.
Mạch biến tần hai cấp bao gồm một nguồn và một số công tắc điều khiển dòng điện hoặc điện áp. Do những hạn chế về tổn thất công tắc và định mức thiết bị, hoạt động tần số cao của bộ biến tần hai cấp trong các ứng dụng điện áp cao bị hạn chế. Tuy nhiên, giá trị định mức của công tắc có thể tăng lên thông qua các kết hợp nối tiếp và song song. Nhóm công tắc cung cấp nửa chu kỳ dương trong biến tần hai cấp được gọi là công tắc nhóm dương, trong khi nhóm công tắc còn lại cung cấp nửa chu kỳ âm được gọi là công tắc nhóm âm.
Vì những lý do sau, biến tần hai cấp không được ưa thích. Biến tần yêu cầu số lượng công tắc và nguồn điện tối thiểu để vận hành và chuyển đổi nguồn điện theo các bước điện áp nhỏ. Bước điện áp nhỏ hơn sẽ cung cấp dạng sóng chất lượng cao. Ngoài ra, nó cũng có thể giảm ứng suất điện áp (dv/dt) và các vấn đề tương thích điện từ trên tải. Vì vậy, biến tần đa cấp là lựa chọn đầu tiên thiết thực hơn.
Biến tần đa cấp (MLI)
Biến tần đa cấp chuyển đổi tín hiệu DC thành dạng sóng nhiều cấp. Dạng sóng đầu ra của biến tần nhiều cấp không phải là xen kẽ dương và âm trực tiếp mà là xen kẽ nhiều cấp. Do độ mịn của dạng sóng tỷ lệ thuận với số cấp điện áp. Vì vậy, các bộ biến tần đa cấp sẽ tạo ra dạng sóng mượt mà hơn. Như đã đề cập trước đó, đặc điểm này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng thực tế.
Phần kết luận:
Bài viết này giới thiệu 17 loại biến tần chính nhưng trên thực tế còn có rất nhiều cách phân loại biến tần khác. Ví dụ, bộ biến tần nhiều cấp cũng có thể được chia thành bộ biến tần tụ điện bay (FCMI), bộ biến tần kẹp diode (DCMI) và bộ biến tần cầu H xếp tầng.
Từ góc độ ứng dụng thực tế, bộ biến tần ba pha phù hợp cho các ứng dụng tải cao, bộ biến tần hình sin thuần túy có thể bảo vệ các thiết bị điện tốt hơn và bộ biến tần nhiều cấp là những lựa chọn thiết thực hơn.