LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
MỤC LỤC
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ BIẾN TẦN
1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.
Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện
tử công nghiệp. Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh
kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc
biệt có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được
những đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa
học nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra
đời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell
Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng
trong kĩ thuật điện tử. Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ
thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu
chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được
mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số.
Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện tử công suất thì
chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi
độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất.
Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của
các linh kiện.
Linh kiện Năm xuất
hiện
Điện áp
định mức
Dòng điện
định mức

Tần số định
mức
Công suất
định mức
Điện áp rơi
thuận
Tiristo(SCR) 1957 6 kV 3,5kA 500Hz 100MW 1.5±2.5V
Triac 1958 1kV 100A 500 Hz 100kW 1.5±2V
GTO 1962 4,5 kV 3kA 2 KHz 10MW 3±4V
BJT 1960 1,2 kV 800A 10 Hz 1MW 1.5±3V
MOSFET 1976 500V 50A 1 MHz 100KW 3±4V
IGBT 1983 1,2kV 400A 20 KHz 100KW 3±4V
SIT 1976 1,2kV 300A 100KHz 10KW 2±4V
MCT 1988 3kV 3kA 20±100KHz 10MW 1±2V
2. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp
Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiện
trên thị trường.
3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày
càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận
đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ
điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống
còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế
giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc
… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu

của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển
tốc độ động cơ theo phương pháp này.
3.1. Luận chứng kinh tế
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
• Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt
gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm
45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi
lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ
việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
3.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay
đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương
thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán
dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu

điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và
công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn
chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra
do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát
như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà
chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này.
4. Phân loại biến tần.
Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức
chuyển đổi tần số là:
• Biến tần trực tiếp
• Biến tần gián tiếp
o Nghịch lưu đơn bậc
o Nghịch lưu đa bậc
Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai loại biến tần này, trong phần biến
tần đa bậc chúng ta sẽ đi sâu vào phương pháp vector không gian.
Hình 1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian.
5. Vai trò biến tần đa bậc.
Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói
chung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao
nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:
• Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin.
• Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao.
• Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao.

• Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…
Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc
nhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Ưu điểm của biến tần đa
bậc là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần
sin hơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao. Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng
chỉ gần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc
có tổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp. Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa
bậc còn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao,
công suất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so
với biến tần đơn bậc. Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
hỏi công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một
giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những đòi hỏi đặt ra.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
II. BIẾN TẦN TRỰC TIẾP
1. Giới thiệu
Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển
đổi công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển
đổi công suất khác. Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong
thời gian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và
công suất còn thấp. Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off
thyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công
suất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công
suất cao. Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi
SCR được sản xuất. Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương
tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980. Các tính toán điều khiển cho tất
cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi. Biến tần trực tiếp

AC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất AC sang một nguồn AC khác. Các
cách thường dùng hay các dạng như sau:
1. Biến đổi điện áp một pha AC/AC
2. Biến đổi điện áp ba pha AC/AC
3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO)
4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)
5. Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO)
6. Biến tần đường bao ( Matrix).
Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơn
sang tần số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ.
2 Phân loại biến tần
2.1.Biến tần trực tiếp một pha
Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P và
nhóm âm kí hiệu là N. Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-AC
với pha điều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịch
giữa nguồn AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng. Cặp
SCR có thể được thay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự
bố trí như hình 1.c gồm hai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âm
làm đơn giản mạch qua cửa cần cho sự cách ly. Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốt
làm giảm bớt tổn thất nhưng lại tăng thêm sự hao phí vì nhiệt. Một sự kết hợp giữa
SCR và Điốt như hình 1.e, cung cấp điện áp điều khiển ngõ ra không đối xứng một
chiều với phương thức tự kiểm soát nhưng có cấu thành DC vào và hơn nữa, không
thực tế để loại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên của tải.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 1. Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR.
Hình b) Sử dụng Triac. Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt. Hình d)Một SCR kết hợp
với 4 Điốt. Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.
Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR.
Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thì

điện áp tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa.
Hình 2. Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 3. Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L
Hình 4. Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.
Hình a. Thời gian đóng cắt của linh kiện.
Hình b. Biểu đồ hệ số công suất
Điện áp ngõ ra có công thức:
Điện áp tức thời.
Hệ số công suất (Power factor)
2.2. Biến tần trực tiếp ba pha.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

Hình 5. Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC
Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau
rất đơn giản. Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b
thì chịu dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thì
không cao, góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải
R. Trong hình c và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển. Cả hai mô hình
trong mỗi pha có hai SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dòng
giữa tải và nguồn. Trong hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đây
dòng có thể chuyển đổi giữa hai dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn
đều có một xung kích khác nhau. Sóng điện áp và dòng gần giống như là của hình b.
Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và
mỗi SCR dẫn trong 120 độ. Mô hình f thì ít được sử dụng nhưng nó có dòng lớn và

như trong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thể thay thế sáu SCR bằng ba SCR
và ba điốt. Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tam giác, hạn chế lớn nhất của hai
mô hình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc hai bỡi tính không đối xứng.
2.3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO).
Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luận
nhiều. Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèm
theo nhưng đặc tính của nó. Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạng
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
sóng điện áp, từ sự gián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần
số cao và được phát minh từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trong
các bộ chỉnh lưu ở Đức năm 1930 với nguồn 1 pha tần số 16. 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải
từ nguồn ba pha tần số 50 Hz. Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratrons
cung cấp 400 Hp tải đã hoạt động trong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ.
Tuy nhiên, thực tế và sử dụng có ích là hai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khi
SCR ra đời năm 1960. Dưới đây là mô hình sử dụng SCR:

Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC
a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha
b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.
Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng
vi mạch điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện
cho nguồn công suất có tốc độ chậm. Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF)
được sử dụng trong các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong
các hệ thống cán thép và hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền
sản xuất da dày…
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những
đặc tính của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR
và được thay thế dần. Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắt
không đáp ứng, tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp.
Hạn chế chính của biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biến
đổi ngõ vào trên ngõ ra có điện áp thấp.






Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số 50-
16.2/3 Hz.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 8: Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10
Hz với tải trở. Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng

công suất biến đổi.
Tuy ít khi được sử dụng, nhưng biến tần trực tiếp dạng SISO thì có ích để giải
thích cho những nguyên lí phức tạp hơn.
2.4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)
Hình 9: Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150


Hình 10: Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoàn
Trong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửa
sóng cung cấp một pha tải. Nguyên lí điều khiển giống như điều khiển một pha. Hình
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
10 cho thấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòng
điện liên tục. Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và
hai bộ chuyển đổi để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển. Dạng sóng cơ bản
sinh ra ở hai bộ chuyển đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộ
biến đổi và điện áp sinh ra bỡi độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) là
dòng liên tục.
2.5. Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)
Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên là
biến tần đường bao. Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàn
toàn như các điốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kì
làm việc. Ta nhận thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn các
đơn giản hơn bộ biến tần điều khiển pha như trình bày các phần trên. Tuy nhiên nó
cũng có một vài hạn chế, vì sóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiện
điều hòa bậc cao. Tỷ số tần số ra trên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý mà
phải là số nguyên. Một tải có hệ số công suất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từng
khoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch

lưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1. Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa
chu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên
để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn.

LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
III.BỘ NGHỊCH LƯU
1.Giới thiệu chung.
Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ
ra xoay chiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều. Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầu
trong các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục. Với các
ngõ ra là sóng sin xoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển. Tùy
vào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là
các bộ nghịch lưu nguồn áp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoay
chiều được điều khiển một cách độc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hết
được sử dụng rộng rãi vì chúng hoạt động như các nguồn áp và điều này được yêu cầu
trong nhiều ứng dụng trong công ngiệp trong đó, các động cơ có thể điều chỉnh được
tốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất của các bộ nghịch lưu, xem hình 3.1.

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độ
Tương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs:
Current Source Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóng
dòng điện. Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công
nghiệp có điện áp trung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao.
Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từ
các bộ chuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạo
thành từ các giá trị rời rạc. Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin như

mong đợi, nhưng thành phần cơ bản của nó vẫn hoạt động tốt. Hoạt động này nên
được đảm bảo bằng một kỹ thuật điều chế mà điều khiển về thời gian và trình tự được
sử dụng để đóng ngắt các khóa nguồn On và Off. Các kỹ thuật điều chế được sử dụng
nhiều nhất là kỹ thuật sóng mang cơ bản (SPWM), kỹ thuật vector không gian (SV:
Space Vector), và kỹ thuật hạn chế hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic
Elimlination).
Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) tạo ra một dạng sóng điện áp ra xoay chiều
gồm các giá trị rời rạc (dv/dt cao), do đó, tải nên có thành phần cảm kháng tại các tần
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
số hài để tạo ra một dạng sóng dòng điện mịn. Tải dung kháng trong các bộ nghịch
lưu nguồn áp sẽ tạo ra các đỉnh nhọn của dòng lớn (current spikes). Trong trường hợp
này, ta nên sử dụng một bộ lọc cảm kháng giữa phần xoay chiều của VSI và tải. Mặt
khác, bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI) tạo ra dạng sóng dòng điện ngõ ra gồm các giá
trị rời rạc (di/dt lớn). Do đó, tải nên chứa thành phần dung kháng tại các tần số hài để
tạo ra một dạng sóng điện áp mịn. Tải cảm trong CSIs sẽ sinh ra các đỉnh nhọn của áp
lớn. Trong trường hợp này, ta nên dùng một bộ lọc dung kháng giữa phần xoay chiều
của CSI và tải.
Dạng sóng điện áp 3 bậc thường không được dùng trong các động cơ có thể
điều khiển được tốc độ với mức điện áp trung bình vì thành phần dv/dt lớn sẽ thêm
vào các cực của động cơ. Các sự lựa chọn để cải thiện các dạng sóng ngõ ra xoay
chiều trong VSIs là các phương pháp đa bậc (multilevel và multicell). Nguyên tắc cơ
bản là tạo ra dạng sóng ngõ ra theo yêu cầu từ các mức điện áp khác nhau, và nó tạo
ra các dạng sóng điện áp trung bình với thành phần dv/dt được giảm thiểu. Các
phương pháp này được phát triển mạnh trong ASDs, và chúng cũng thích hợp với bộ
lọc tích cực (active filter) và các bộ bù điện áp. Các kỹ thuật điều chế chuyên dụng
được phát triển để đóng ngắt số lượng lớn hơn các van công suất. Trong số các
phương pháp điều chế đó, SPWM và SV cơ bản được ứng dụng rất rộng rãi.
Trong nhiều ứng dụng, có yêu cầu đưa năng lượng từ phần xoay chiều của bộ
nghịch lưu và gửi ngược về phần một chiều. Với trường hợp này, mỗi khi ASD cần

dừng lại hoặc giảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảo
ngược vì thực tế điện áp liên kết một chiều là cố định. Nếu một tụ điện được dùng để
duy trì điện áp liên kết một chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tán
hoặc được hồi về hệ thống phân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên
từ từ. Cách đầu tiên là yêu cầu tụ điện liên kết một chiều được nối song song với một
điện trở, và nó phải được đóng ngăt một cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từ
tải của động cơ về dc link. Một cách lựa chọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệ
thống phân phối. Tuy nhiên, cách này cần một giao thức đảo ngược dòng được nối
giữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều. Một phương pháp mới là dùng các
kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-end rectifer technologies), với
chế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống.
Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạng
nguồn dòng và áp. Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng
và áp đều có thể được giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trong
ASDs chuẩn hoặc được thay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng có
điện áp trung bình. Đặc biệt ta sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế,
phương diện điều khiển, hướng ứng dụng. Để quá trình phân tích được đơn giản hơn,
ta coi như các bộ nghịch lưu là các giao thức không có sự tiêu tốn (gồm các khóa
công suất lý tưởng). Tuy nhiên, một vài điều kiện thực tế, không lý tưởng cũng sẽ
được đề cập đến.

LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha
Các bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu.
Mặc dù công suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các
bộ cung cấp nguồn (power supplies). UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh
có công suât cao phức tạp hiện nay (form elaborate high-power static power
topologies)
2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.2 cho ta thấy dạng mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu, 2
tụ điện lớn để tạo ra điểm trung tính N, mỗi tụ điện duy trì một điện áp cố định vi /2.
Bởi vì các hài dòng được sinh ra bởi hoạt động của bộ nghịch lưu là các hài có bậc
thấp (low-order harmonics), nên ta cần phải đặt vào các tụ điện lớn (C+ và C- ).







Hình 3.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu
Một điều cần lưu ý rằng cả 2 công tắc S+ và S- đều không thể được dẫn đồng
thời vì sẽ gây ra sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi (dc link voltage
source). Có hai trạng thái đóng ngắt xác định (trạng thái 1 và 2) và một trạng thái
đóng ngắt không xác định (trạng thái 3) như trong bảng 3.1. Để tránh sự ngắn mạch
qua đường dẫn dc và trạng thái điện áp ngõ ra xoay chiều không xác định, kỹ thuật
điều chế nên luôn đảm bảo rằng tại mỗi thời điểm hoặc công tắc trên hoặc chỉ công
tắc dưới của bộ nghịch lưu được On.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Bảng 3.1 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.
Hình 3.3 cho thấy dạng sóng lý tưởng ứng với bộ nghịch lưu bán cầu trong hình 3.2.
Các trạng thái của các công tắc S+ và S- được xác định bởi kỹ thuật điều chế, mà
trong trường hợp này là kỹ thuật điều chế sóng mang cơ bản PWM.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 3.3 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu ứng với kỹ
thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (ma=0.8, mf =9): (a) các tín hiệu sóng mang và
tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S+; (c) trạng thái của công tắc S- ; (d)

điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng
điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i)
dòng điện của công tắc S+ ; (j) dòng của diode D+.
2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.
Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo =
vAN theo như dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một
cách thích hợp các khóa công suất. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng
mang cơ bản xác định các trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
nghịch lưu bằng cách so sánh một tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều
mong muốn) và một sóng tam giác v∆ (tín hiệu sóng mang). Trong thực tế, khi vc >
v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt. Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và
công tắc S- đóng.

Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số
fc và biên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ . Đây là loại
điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM). Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma
(còn được coi là tỉ số biên độ điều chế) được xác định là:
(3.1)
Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:
(3.2)
Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng
sóng sin cơ bản có chứa hài, với các đặc điểm sau:
Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thức sau:
(3.3)
b. Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần
số fh xung quanh mf và các bội số của nó
h = lmf ± k l = 1, 2, 3, ……
với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …

c. Biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của các hài là một hàm của hệ số điều chế
ma và không phụ thuộc vào tần số sóng mang mf nếu mf > 9.
d. Các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện với các tần số fp quanh tần số sóng
mang mf và các bội số của nó:
p = lmf ± k ± 1 l = 1, 2, 3, …
với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5 … và k = 1, 3, 5, … ứng với l = 2, 4, 6, …
Các vấn đề quan trọng cũng cần phải chú ý là:
- Với các giá trị mf nhỏ (mf < 21), tín hiệu sóng mang v∆ và tín hiệu điều chế
vc nên đồng bộ với nhau để đảm bảo các đặc tính ở trước. Nếu không, các hài bậc ba
sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều.
- Với các giá trị mf lớn (mf >21), các hài bậc ba sẽ không đáng kể nếu sử dụng
kỹ thuật điều chế độ rộng xung không đồng bộ. Tuy nhiên, vì có khả chứa các hài bậc
ba có bậc thấp (low order subharmonics) nên phương pháp này nên tránh sử dụng.
- Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) một số chỗ giao nhau giữa sóng mang
và sóng điều chế được bị lệch, điều này dẫn đến sự phát sinh ra các hài bậc thấp
nhưng nó chứa thành phần cơ bản có mức điện áp ngõ ra xoay chiều cao hơn. Không
may là, tính chất tuyến tính giữa ma và o1 đạt được trong vùng tuyến tính ở biểu
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
thức (3.3) không được giữ trong vùng ngoài điều chế, hơn nữa, ta có thể thấy được
ảnh hưởng của sự bão hòa ở hình (3.4).

Hình 3.4 Thành phần xoay chiều cơ bản của điện áp ngõ ra trong bộ nghịch
lưu nguồn áp bán cầu với kỹ thuật SPWM
Kỹ thuật PWM cho phép tạo ra một điện áp ngõ ra xoay chiều. Trường hợp
đặc biệt của kỹ thuật này là kỹ thuật SPWM (tín hiệu điều chế là sóng sin) tạo ra trong
vùng tuyến tính một điện áp ngõ ra xoay chiều thay đổi tuyến tính theo một hàm của
hệ số điều chế và có các hài với tần số và biên độ được xác định rõ. Các đặc điểm này
đơn giản hóa các thành phần của bộ lọc khi thiết kế. Tuy nhiên, biên độ tối đa của
điện áp xoay chiều của thành phần cơ bản là vi /2 trong chế độ hoạt động này. Các

mức điện áp cao hơn đạt được bằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuy
nhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều. Các giá trị rất lớn
của hệ số điều chế (ma > 3.24) điện áp ngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó được
xem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông.
2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique).
Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều.
Kỹ thuật này tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định.
Hình 3.5 cho ta thấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h =
3, 5, 7, 9, … và ứng với một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ ra
xoay chiều của thành phần cơ bản được cho bởi:
(3.6)
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Và biên độ của các hài được cho bởi:
(3.7)
Ta có thể xem như điện áp ngõ ra xoay chiều không thể thay đổi được bằng bộ
nghịch lưu. Tuy nhiên, ta có thể thay đổi bằng cách điều khiển điện áp liên kết một
chiều vi. Các kỹ thuật điều chế khác cũng có thể được ứng dụng trong cấu hình bán
cầu (như kỹ thuật loại trừ hài có chọn lựa).



Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ
thuật điều chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp
ngõ ra xoay chiều.
2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination):
Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sin
với thành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi và
các hài thực chất được loại trừ một cách có chọn lọc. Điều này đạt được bằng cách tạo
ra một cách chính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (power

valves). Điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ (voh = 0, h = 2, 4, 6 …). Tuy
nhiên, dạng sóng điện áp mỗi pha (vo = vAN trong hình 3.2), nên được đóng ngắt N
lần trên mỗi bán kì để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1 trong dạng
sóng điện áp ngõ ra. Ví dụ, để loại trừ các hài bậc thứ 3 và thứ 5 và điều khiển độ lớn
của thành phần cơ bản (N = 3), ta giải quyết các biểu thức sau:
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
(3.8)
Các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.6a. Các góc được xác định bằng
các phương pháp của thuật toán lặp lại vì không có các kết quả phân tích nào được
đưa ra.
Hình 3.6 Các dạng sóng lý của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật
loại trừ hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimination): (a) điện áp ngõ ra
xoay chiều với sự lọai trừ hài thứ ba và thứ 5; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra
xoay chiều với sự loại trừ hài thứ 3, 5 và 7; (d) phổ của (c).
Các góc 1, 2, và 3 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7a.
Công thức chung để loại trừ một số các hài chẵn N-1 (N – 1 = 2, 4, 6, …) là

(3.9)
Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Tương tự, để hạn chế một số các hài lẻ,
ví dụ, bậc 3, 5 và 7, và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản (N – 1 = 3), ta
phải giải quyết các biểu thức sau:

(3.10)
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH