thiết kế bộ biến tần gián tiếp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V CÔNG NGHÊ
1.1. Sơ lược về hệ thống biến tần
1.1.1. Khái niệm.

 !"#$!" %&'
#$!" ( )*+$
1.1.2. Phân loại
1. Biến tần trực tiếp:
",&-. () /
#$!" (0#$!"
( ,*12$3 4506
3 !. 4 !7*849'*8
(:;"$$<4<4=1>*?"#$!"
@
A
:B
A
=,3 !! ")!"4!6C@
D
:B
D
=1
E "79."$F(% 4GH/!4%F,
&I$4 "(0 %C9%1J5
!"B
D
(I B
A
1
JK&IL
H1.1: Sơ đồ biến tần trực tiếp

Chỉnh lưu
Lọc
Nghịch lưu
2.Biến tần gián tiếp:
;'8?1E4$" 7*
,* &' 1M! (3 !84/4NF&'#$!"
 CB
D
+* ?:3 45!"B
D
0
I $B
A
=1J!6  %1E "
7&I )+O ?#K7! "
!* )P!$F"*+&I(H1
JK&IL
QA1DLMH/
H1.3: Sơ đồ khối
RS.$F
2$K%P!87F*!!
$F&I* &'* 1
a). Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:
T$F /F$4!  /&'9
&FP!&'476I $&F&'P! /9'
&F476 U $0P!63 "1
b). Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:
T$F /F$4!  /
:O!4N /VW=12FP!476 U $
&FP! /9'&FP!&'476I $

0P!F63 "1
 /(* )F$4!&F&'
H9&67!$H7*&I44XH1
 /(!?479(?
? )
* Phần động lực gồm có các phần sau:
Y,* L(I&'#$!" (B
A

&' 1
Y* L4%3 !484$9(&'
 * %Z,* &'#$!"
(B
D
1
Y8L?0) *4$F$[
 P!,* 3 !\
#$!" 1>((&I!V! ,* 1
* Phần điều khiển:
T?0) *9(3 "P!
F9)66$"7  94!P!
 &$F )3 "1
1.2 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha.
1.2.1 Nguyên lý hoạt động.
Như đã biết trong vật lí, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây
đặt lệch nhau 120trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn day
tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay có đặt
các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện
và làm xuất hiện xuất hiện xuất điện động cảm ứng trong các thanh dẫn
.

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các
thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc
bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng
này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra
momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua.
Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường
sẽ quét qua các dây quấn phần cảm ứng nữa nên suất điện động cảm
ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn. Do momen cản roto sẽ quay
chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua,
dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto
tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ
trường.
Hình 1.2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha
Nếu gọi tốc độ tốc độ từ trường quay là ( rad/s ) hay n ( vòng/phút )
thì tốc độ quay của roto là ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ; n < n ). Sai lệch
tương đối giữa tốc độ gọi là độ trượt :

(1)
Từ đó ta có:
(2)
Hay
(1-s) (3)
Với
(4)
(5)
tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực
cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ , độ trượt có giá trị 01.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng
điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối vơi
từ trường quay:
(6)
1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
a) Phương trình đặc tính cơ
Theo nguyên lý máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng,
nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng , các thông số dây quấn như điện
trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua
tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện ấp lưới hoàn toàn đối
xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1.2.a

1.2.a: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó
- Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
-Dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato
(A)
- Điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy
đổi về stato (Ω)
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối
quan hệ giữa momen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
(7)
Trong đó:
- điện kháng ngắn mạch,
b) Đường đăc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (, phương trình cho những giá trị
của trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1.2.b, đó là đường đặc tính cơ của
động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
Hình 1.2.b: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm

đó:
(8)
Giải phương trình ta có:
(9)
Thay vào phương trình đc tính cơ ta có:
(10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn (chế độ động cơ) nên giá trị và
của đặc tính cơ trên ứng với dấu (+)
]\KHP!H#$!" ^2*+$
F(!$F_^^9.N)CF^1]$F_^
`1E47$F"$<H6
*F12$?"H47$F"a1]$F^
$C&&*H1E47$F"H0
1
E47*+\KH79)CbcW
:cA=$<N"L
:AA=
Điểm A ứng với momen cản bằng 0 (và tốc độ đồng bộ:
:AD=
1.2.3 Ảnh hưởng của tần số nguồn đến đặc tính cơ:
^!"5<$:d=/!"9/+e!"
:5fcDBT=9
^[$<$!"P!64*CF$<CF1
g !4*CF<$

cB:B
A
=$<CF<$
h


cB:B
A
=F*5b
$
f
A
I iCB
A
7()Z) P!

h

4G4!L
:Aj=
^B694*CF

$<CFh

 
*h

!H1^6B
A
# &*C
B
A&
54NP! &."67 k "7%
$Ha&lm'HF1J5?"6
 /# &*C46/+6
%$H<$3 !L

:An=
>*?"h

ak0N-B
A
oB
A&
1p-B
A
qB
A&
5
0) /k@
A
c@
A&
7N-"h
 
a
6,C5*H9/+6 ,
<$3 " ?c$)k$H03 6
0 %1
Hình 1.2.a : Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn
Hình 1.2.b : Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số nguồn kết
hợp với thay đổi điện áp
1.2.4 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
>"!"4 "*&I4%4
4X4$$\&."4 "6# %094$!$
0?64$&.&IrsCK($6
dWt6# %4!*7 IN4 "

1Q()$FC0$\!"
*1Q!"($6udvwWt4 "$F
$FC1JC"9P!H
*0 )4Z3 xN1S'F
() ,*)\K
HC\K6<$"7  1JC4)FaP!y ?
&l0 %Cy ?#z9   
&Iy ?"*&I44X0
I0) 4$3 x(!1
]H0/( * )*! L% H69
{{9  %!$9F9(6
4$04*+F$\H(6"!$1J5k*
)"7H0/*&I4%44X4$
3 &.C0 %ZI5|1
E4$09H0/*+&- /
$"[$FZ!}9$"0IN
"0~rE4$09*&-"H!"
"!006•1E4$+"9H0
/"4K3 !48C &I*L
3 F(9H4$PF94$" '!rE(F-C
4)P!6# %K(!(!9F&I
P!H0/"44X1
7F(5*)P!H0/$C
" 9 )"#$!" \ (
N50P!"#$!" 0
<$+!e*6%F\% 4GP!H
#$!" 1
])() )?Z0$<P!H
#$!" '}K$!K#4$
3 "4#$!" H61J5?"$

."9CH#$!" C&I(
0&$*H )4*C."&-$
"*+{(  %[1
1.2.5 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một
chiều
>k(4$&IH#$!" K
$)()&€& )*P!(*
 )H 1J5?"**N
"#$!" " 47*H&
)X4!+1]."K )<$41] )<$4a$
[ )Z0$<$$?C! 03 !
 )4+P!&':H&'=$\4
+P!:H=1
] )<$$[F$4!k6!K#
P!6Z0$<4$63 453 e*3 45
#?P!"#$!" *" 1;-C
4)P!y ?&lk#*(!
F9&IP! )<$4"*&I
44X4$ 4 "X4N7  •0
1
JC4)!(90 0'
}6*+# "7P!$F4 "! 1
>k"7  6" ?"9667 I
96) K6$&*•9K#6
 )F1J5?"9k4 "CH
 !&!"Nk4 "CH
#$!" &I )<$41Tz&$K)&I4
4XH 4*C!6 )?Z
0$<e*% 4G4 "H61E "
7K !6$45H!$9\*"

6&-C1E4$(9&IP!* "
 )<$4X*ZkuWCF
)7I1>*F7I0)*'
}6 ")+P!3 " 3 !"&$ "
‚
}
*K$4$+!{1M4)P!k
F#*X!"&IP!z "
)<$41^6* 4$ )3 P! )
<$4($4)44XP!4 "#$!"
 5:P!H#$!" 4ƒH$CH
 =1
>$k4)4$ )<$49
4)GzK4)F< 4!:< 4!<„$4=
$+:B ……"$=$ )<$4!k
7 C4$7 4 "1Q!y ? )
C"aF$7k6*?$4 "#$!"
4$*H!1E4)8&I44P!!y ?
" I   $   4) P!   # z  &l
:M<$& $4h4$4$<$4=1
JC4)FaP!0 %9
z " )"#$!" `C )<$4
X4!+1](z " )4$<:24<E$43 <
;$4$=!"{2E;&$$*>$ E!!!*!4!$
wW1E "7y ?2E;l*!$6$* 
7 71
1.3. Các phương pháp điều khiển biến tần
1.3.1. Phương pháp điều chế cổ điển (điều khiển 6 nấc)
>* !!*[ZjH/* !(
)4 K1])H6$7 !6L

YJ!z*N(N51
Y> /(4N}0-&l<$!
YJ!H6:EA9ED9Ej9En9Ed9E†=C&l

λ
cAwW1
Y‡!c‡c‡1
;]12A92D92j92n92d92†46*
 / 1
EI;66$ / /)?*6
Z61
Y>*?"EA9En! AwW)F$4!!_1
Y>*?"Ej9E†! AwW)F$4!!1
Y>*?"Ed9ED! AwW)F$4!!;1
;!! ADW1
ˆ4 &IP!!L

D
D
W
A D
: =
D j
pha pha
U U d E
π
θ θ
π
= =
∫

M "4!L


1.3.2. Phương pháp điều chế PWM trong nghịch lưu áp 3 pha
;* *+ )&!<$y ? 
4# S|h3 {K(1g {K(
66$&F6* ) .<$6/
13
K(0{y ? 4# (&IF
!6*N%P!(?!$# %NK!61
SI $*H?6/K(04$
* !().&F 4# 
! 1
Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu.
‰;, L,k!7H6F$7
N*H )7H6F*
4$*H )†*C1
d
m
stepsm
m
V
u
u
u
m
π
D
A
A

A
==
−−
‰E4 &I(?!$&'L

( ) ( )
[ ]
∫
−=
T
hRMS
dttiti
T
I
W
D
A
A
]F*
hRMS
I
I 0k$*HS|h
'$061
])%*S|h0I $69!()
&IF*độ méo dạng dòng điện:

∑
∞
=
=

D
D
AA
A
n
n
hRMS
I
II
I
ˆ66#$!" /666
{9[$&F&'()F&*C&FL
∑∑∑
∞
=
∞
=
∞
=






=









==
D
D
A
D
D
AA
A
D
D
AA
A
11
1
A
n
n
n
n
n
n
hRMS
n
U
ULn
U

U
L
I
II
I
σ
σ
ω
ω
^3 6F*0I $!P!61
^&I*H )†*C9[$&F&'
()#V4! L
14
Wn†n9W
A
=
−
I
I
sixstephRMS
])&I*HS|h9()&I[$&F •
(!<$*H†*C9G(hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn
$NL
&c
SixstephRMS
hRMS
I
I
−
JC*H †*C9[$&F&'VA1

> &I*H <$40!9[$&FK
 ()K<$K.P!K0*C<$4! ."L
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]
∫
−−=
T
hRMS
dttitititi
T
I
W
AA
11
A

])6*NZ(4$*HS|h9!
()&I!phổ từng sóng hài dòng điện. > &I*H
 /CK(B

V "7
:>=(H6L
B
A
:B

c>B
A

=1
Hệ sô sóng hài bậc k qui chuẩn9K3 <$*H†*C
$NL

SixstephRMS
hRMS
I
kfI
kfh
−
=
=:
=:
A
A
Q(0I $!61
Q[$&F) &€3 !(*! L
∑
≠
=
A
A
D
=:
k
kfhd
15
> &Iy ?S|h0/9!().KŠ$ 4<4
&'<$4+4F(&'# %
<$7I1E4*+"!()&I

phổ mật độ dòng điện <$L
∫
∞
≠
=
A
9W
D
=1:
ff
d
dffhd
Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:
;0 %!$# %47!$/!L
!$0 %N4F&lS
$
!$0
 %S
&"1
E!$0 %7({P!
71
E({P!0)7-"z5kz&$
! L
Y;0 %!$7,C({
YT0 .C!$({CH
R] 4# !!L
]C* !! ? a*! L
Pha A: (∆t
1A
– ∆t

2A
)/T
s
=µ sinωt
Pha B: (∆t
1B
– ∆t
2B
)/T
s
=µ sin(ωt-2π/3)
Pha C: (∆t
1C
– ∆t
2C
)/T
s
=µ sin(ωt+2π/3)
∆t
1
*HC+!&lP!(!!$ :E
A
9E
j
9E
d
=
∆t
2
+!&lP!(!!$ :E

D
9E
n
9E
†
=1
]CS|h ? )a*! L;!4$-
(a*N-GN+)! P! UE

1>*
!a-*(FNk+)! *H
C ? :*HC4‹
A 
‹
D
=1] "66$
4$Œ U ")F 0(k$F4!
V012$(&F4!a0I $\KP!
6( '!?!$P! ")Fa
0/F4$4!P!* 1
1.3.3.Phương pháp điều biến độ rộng vector ( PWM 2, hay còn gọi là
SVM : Space Vector Modules)
* Khái niệm về véc tơ không gian
16
J<$40!P!!!LHNP!O ? 
<$40!906$F!!&*C&F[$41E!
(?#[! L
      Q!!5#JR:„=9JR:„YADW=9
JR:„‰ADW=()) &€V<$4J3 !"(„
>* †%!()) &€V†[H064F

P!!4$* 1>?%"4!*7 6V
[H0!(7093 !"$F9& ")6"
%:†%=(?!$(7C1

^y ? 4# 5:X7 N47=C(
!Šc>RŠ$9/>[H4FV47*+4'
(K!"<$4!$ 1
^O ? 4# <$0!06<$4
4F"<$[HP!*  %!1])(*
74!$ 9! 7!4F*HC!
!MA9Mj9Md-(-{9*HC![HJWJu
:(CVW=1^3 6G!F$*[H ")FJR
:!"J=1
17
Véc tơ chuuyển mạch V*
])F$*[H ")F
RV
uuur
 (7VJRV
* !!9!().K
RV
uuur
DV47D[H
.?P!* †%!1
JK&I*475! 9[H
RV
uuur
().K!
[H
Va

uur
9
Vb
uur
V47D[H.?
AV
uur
9
DV
uur
18

R
R
R: = R
j j
R: = R
j
a
b
V V
V V
π π
α
π
α
− =
=

R R

A A A D
R R
A D A D
R
R R R R R R
a b a a
V Va Vb
V V V V
V V
V V V V
V V V V V V
= + =
+ = +
uuur uur uur
ur ur ur uur
ˆ8E

 5 4# 94$$6+!"9
4 54!6*HC )1EZ) 
[H!(L

W• u
A D W• u
R R R R
a a
s s s
T T T
V Va Vb V V V
T T T
= + = + +

uuur uur uur ur uur uuur
ˆ8iL
R R
A D
D
j
m
dc
V
V V
M
V V
V
= = =

M "4!!(L
R
R
A
D
R R R: =
j
j
a a
s
T V
V
M
T V V
π

α
= = −

R
R
A
D
R R R: =
j
b b
s
T V
V
M
T V V
α
= =

W• u
T
c
s
T
Y
a
T
Y
b
T
E4$$6+!E

W•u
8[HJW$\Ju!$$
 ")FK%L
EK$+!E
Ta có các thông số sau :
EŽ4!P!* LŠ$ 
E({P!* FŽ4!Š„
E4$Œ 5P!4!Œ†Wt!(<$4
19
M%"l 4$Œ<$4*8#
E!(
A
R
†
out s
T x T=
])$ ")FK%!8#!$DL
E4*+#cD1E!(ˆ6/4$M<$4A
Trường hợp x = 4 Giản đồ trong Sector1
Biểu đồ hiển thị sự đóng ngắt các van trong một chu kì
20
21
Chỉ số điều chế
] )K$(zO!5EqE!‰E9*H
[HJRV4$5I FJ1M "4!7
)FJRL
JRcD•jJ&$:S••†=cW1duuJ&
M "4!, LcW1•W
Giảng viên hướng dẫn. Sinh viên.
Đoàn Văn Tuân Nguyễn văn Trãi

Mã Sinh Viên : 39217
Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Sơ
đồ
cấu
trúc
mạch
điều
khiển
tổng
quát.
22
a, Mạch lái
Nói chung, những động cơ mà sử dụng các khoá đóng ngắt (trong đó có
IGBT) để điều khiển thì đều dùng đến thì đều cần dùng đến mạch lái
(gate driver sheme). Có hai thành phần cơ bản để điều khiển đóng ngắt
các mạch điện công suất là : điều khiển phía cao (high side – Q1) và điều
khiển phía thấp (low side – Q2).
Trong ví dụ trên Q1 và Q2 luôn ở trạng thái làm việc đối nghịch nhau.
Khi Q1 ở trạng thái ON thì Q2 ở trạng thái OFF và ngược lại.
Khi Q1 đang ở trạng thái OFF chuyển sang trạng thái ON , chân S (ở
MOSFET) hay chân E (ở IGBT) chuyển từ ground trạng thái điện áp
cao(High – vonltage Rail) Vd . Vì vậy muốn kích cho Q1 sang trạng thái
ON thì Điện áp điều khiển phải có giá trị : Vgs = Vd + deltaV.
Tuy nhiên đối với Q2 thì chân S được nối Ground, do đó điện áp kích Vgs
chỉ cẩn có giá trị DeltaV.
Trong đó:
DeltaV : Điện áp cần thiết để Q1 và Q2 dẫn. Đối với MOSFET và IGBT, nó
có giá trị từ 10 đến 15 (V).
b, Mạch cách ly

23
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán
dẫn phải được cách ly về điện. Điều này có thể thực hiện bằng OPTO
hoặc bằng biến áp xung.
Biến áp Xung :
Hiện tại có hai loại là Tương tự và Số. Về cấu tạo biến áp xung gồm
một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp. Với nhiều cuộn dây phía
thứ cấp ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc song song hoặc nối
tiếp.
Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong
trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số thấp,
biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hoà và ngõ ra của nó không phù
hợp yêu cầu điều khiển.
Opto:
Gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng Diode (IR_LED) và mạch thu
dùng Phototrasistor. Do đó thoả mãn yêu cầu cách ly về điện, đồng thời
đáp ứng của OPTO tốt hơn máy biến áp xung.
Ta lựa chọn phương pháp dùng OPTO. Yêu cầu đặt ra đối với Opto là
phải chịu được tần số đóng ngắt khá cao (=10KZ). Trong đó, HCPL-2631
là Optocoupler của hãng FAIRCHILD có đáp ứng tần số lến đến 10 MHz.
24
c, Khâu điều khiển
Khối điều khiển.
Khối giao tiếp với máy tính.
Khối hiển thị.
Khối nút ấn.
d, Mạch điều khiển nghịch lưu
Bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha
25