ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT(DTC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC SỬ DỤNG BIẾN TẦN CẦU H

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN ĐÌNH LONG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC DTC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SĨC SỬ DỤNG BIẾN TẦN
CẦU H

Ngành: Kỹ thuật điều khiển vàtự động hóa
Mãsố: TLA121

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HỒNG VIỆT

HÀ NỘI, NĂM 2024


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
----------o0o---------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Đình Long

Hệ đào tạo: Chí
nh quy
Ngành: Kỹ thuật điều khiển vàtự động hóa

Lớp: 61TĐH4
Khoa: Điện – Điện Tử
1. Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC DTC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
ROTO LỒNG SĨC SỬ DỤNG BIẾN TẦN CẦU H
2. Các tài liệu cơ bản:
[1]

Bin Wu, “High – Power converters and AC drives”, IEEE Transactions on
Power Electronics, 2006.

[2]

M. śelechowski, “Space vector modulated – direct torque controlled (DTC–
SVM) inverter – fed induction motor drive”, PhD Thesis, Warsaw University
of T echnology , 2005.
Haibing Hu, Wenxi Yao, and Zhengyu Lu, Senior Member, “Design and

[3]

Implementation of Three-Level Space Vector PWM IP Core for FPGAs”, IEEE
TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 22, NO. 6,
NOVEMBER 2007

3. Nội dung các phần thuyết minh
Chương 1: Tổng quan về biến tần nguồn áp đa mức.
Chương 2: Điều khiển biến tần cầu H.
Chương 3: Điều khiển trực tiếp moment.
Chương 4: Tổng kết.

4. Bảng biểu, sơ đồ:
Bài khóa luận gồm 12 bảng biểu.


5. Giáo viên hướng dẫn:
Giáo viên hướng dẫn toàn bộ khố luận: TS. Nguyễn Hồng Việt
6. Ngày giao nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp:
Ngày …… tháng ……năm 20…..
Trưởng bộ mơn
(Kývàghi rõhọ tên)

Giảng viên hướng dẫn chí
nh
(Kývàghi rõhọ tên)

Nhiệm vụ khốluận đã được Hội đồng thi tốt nghiệp của Khoa thông qua
Ngày.... tháng ... năm 202...
Chủ tịch Hội đồng
(Kývàghi rõhọ tên)

Sinh viên đã hồn thành và nộp khốluận cho Hội đồng thi ngày

tháng

năm 202..

Sinh viên làm khoáluận tốt nghiệp
(Kývàghi rõhọ tên)

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan tất cả các nội dung của Đồ án tốt nghiệp này làcơng trì
nh nghiên
cứu độc lập của em với sự hướng dẫn tận tì
nh của TS. Nguyễn Hoàng Việt.
Các kết quả trong Đồ án tốt nghiệp này làtrung thực không sao chép từ một nguồn nào
và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trí
ch dẫn vàghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả ĐATN
Chữ ký

NGUYỄN ĐÌNH LONG

i


LỜI CÁM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý
kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy TS. Nguyễn Hoàng Việt và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Hoàng Việt, giảng viên trường Đại
học Thủy Lợi người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đang cơng tác tại trường Đại học Thủy
Lợi nói chung vàcác thầy cơ trong khoa Điện-Điện tử nói riêng. Các thầy cơ đã truyền
đạt những kiến thức, kĩ năng hữu í
ch trong suốt quátrì
nh em học tại trường, để khi ra
trường em có thể trở thành một người lao động có tay nghề, giúp ích cho gia đình và
xãhội.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan

tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt q trì
nh học tập và hồn thành đồ án tốt
nghiệp.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐA MỨC .........................1
1.1. Giới thiệu ..................................................................................................................1
1.1.1. Phía động cơ (Motor-Side) ....................................................................................2
1.1.2. Line-side ................................................................................................................3
1.1.3. Hạn chế thay đổi thiết bị ........................................................................................4
1.1.4. Cấu hình của bộ biến đổi. ......................................................................................4
1.2.1. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (Cascaded H-Bridge Multilevel
Inverters) ..........................................................................................................................6
CHƯƠNG 2 : ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN CẦU H ........................................................12
2.1 Phương pháp điều khiển ..........................................................................................12
2.2 Phương pháp PWM .................................................................................................12
2.3 Nguyên lýthực hiện thuật tốn PWM: ....................................................................12
2.3.1 Dịch pha sóng mang ............................................................................................. 13
2.3.2 Dịch mức sóng mang (Level shift) .......................................................................14
2.4 Phương pháp SVM ..................................................................................................15
2.4.1 Giới thiệu ..............................................................................................................15
2.4.2. Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp ba pha ba mức cầu

chữ H ............................................................................................................................. 18
2.5 Môphỏng trên Matlab/Simulink .............................................................................23
2.5.1 Phương pháp PWM nghịch lưu cầu H 3 mức.......................................................24
2.5.2 Phương pháp SVM nghịch lưu cầu H 3 mức .......................................................27
2.6 Kết luận chung. ........................................................................................................29
CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ...................................................30
3.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ .........................................................................30

iii


3.2. Mơhình tốn học động cơ khơng đồng bộ ............................................................. 31
3.3. Nguyên lý điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng bộ nghịch lưu
VSI .................................................................................................................................35
3.3.1. Giới thiệu .............................................................................................................35
3.3.2. Điều khiển trực tiếp momen DTC .......................................................................36
3.4. Cấu trúc điều khiển momen cho nghịch lưu cầu H ................................................41
3.4.1. Tổng quan DTC sử dụng nghịch lưu mức cầu H ................................................41
3.4.2. Bảng lựa chọn vector điện áp nghịch lưu ba mức ...............................................42
3.5. Môphỏng DTC VSI ............................................................................................... 44
3.6. Môphỏng DTC nghịch lưu cầu H ..........................................................................48
3.7. Kết luận...................................................................................................................50
CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT ............................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52
Phụ lục ...........................................................................................................................53

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Trạng thái chuyển mạch của bộ khóa trên một pha 5 mức cầu H nối tiếp biến
tần ....................................................................................................................................9
Bảng 1.2: Số trạng thái của các mức điện áp của bộ nghịch lưu nối tầng cầu chữ H ..11
Bảng 2.1: Bảng trạng thái chuyển mạch pha A ............................................................. 16
Bảng 2.2: Các vector ứng với trạng thái chuyển mạch .................................................18
Bảng 2.3: Vị trí𝑉𝑟𝑒𝑓 trong biểu đồ ..............................................................................19
Bảng 2.4: Tổ hợp các vector cơ bản ứng với tam giác trong sector I ...........................21
Bảng 2.5: Cách tính Ta, Tb, Tc trong mỗi vị trítam giác .............................................22
Bảng 2.6: Giátrị thanh ghi ở mỗi tam giác ...................................................................23
Bảng 3.1: Bảng chọn sector ...........................................................................................40
Bảng 3.2: Bảng lựa chọn vector điện áp........................................................................40
Bảng 3.3: Bảng chọn sector bộ nghịch lưu ba mức .......................................................43
Bảng 3.4: Bảng lựa chọn vector với 12 sector .............................................................. 44

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hì
nh 1.1 : Tổng quan sơ đồ khối của động cơ trung áp ..................................................1
Hình 1.2: Sơ đồ khối của các biến dịng ..........................................................................5
Hình 1.3: Sơ đồ khối từng pha của VSI topologies .........................................................5
Hình 1.4: Sơ đồ khối từng pha của CSI topologies .........................................................6
Hì
nh 1.5: Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng ............7
Hì
nh 1.6: Cấu trúc bộ nghịch lưu nối tầng 5 mức ...........................................................8
Hì
nh 1.7: Cấu trúc của bộ nghịch n mức kiểu nối tầng .................................................10
Hì

nh 2.1 Dịch pha sóng mang 3 pha 11 mức ................................................................ 14
Hì
nh 2.2 Dịch mức sóng mang PD, POD, APOD .........................................................15
Hì
nh 2.3: Bộ nghịch lưu cầu ba mức .............................................................................16
Hì
nh 2.4: Mạch cầu H pha A .........................................................................................16
Hình 2.5: Vector khơng gian điện áp nghịch lưu cầu H 3 mức .....................................17
Hình 2.6: Vector điện áp quay 𝑉𝑟𝑒𝑓 .............................................................................19
Hình 2.7: Xác định vị trítam giác của 𝑉𝑟𝑒𝑓 .................................................................19
Hì
nh 2.8: Phân tích 𝑉𝑟𝑒𝑓 thành hai thành phần m1 vàm2 ...........................................20
Hình 2.9. Xung điều khiển pha B ở thanh ghi PWM ....................................................23
Hì
nh 2.10 Cấu trúc mơphỏng nghịch lưu cầu H nối tầng theo phương pháp PWM ....24
Hì
nh 2.11 Cấu trúc mạch lực cầu H 3 mức ...................................................................25
Hì
nh 2.12: Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM ............................................25
Hình 2.13: Điện áp pha A trên tải..................................................................................25
Hình 2.14:Điện áp dây 𝑈𝑎𝑏 ..........................................................................................26
Hình 2.15:Dịng điện pha A...........................................................................................26
Hì
nh 2.16 Phân tích THD dịng tải ................................................................................26
Hì
nh 2.17 Cấu trúc mơphỏng nghịch lưu cầu H nối tầng theo phương pháp PWM ....27
Hì
nh 2.18: Thuật tốn điều chế SVM ............................................................................27
Hình 2.19: Điện áp pha A .............................................................................................. 27
Hình 2.20: Điện áp pha 𝑈𝑎𝑏 .........................................................................................28

Hình 2.21: Dịng điện pha A..........................................................................................28

vi


Hình 2.22: THD dịng điện pha A .................................................................................28
Hì
nh 3.1: Biểu diễn vector khơng gian ..........................................................................32
Hình 3.2: Mơ hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ (α – β) ........................35
Hì
nh 3.3: Góc lệch pha giữa dịng điện vàtừ thơng ......................................................37
Hì
nh 3.4: Điện áp đầu ra của biến tần được biểu diễn dưới dạng vectơ khơng gian.....38
Hình 3.5: Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp momen(DTC) ................................ 38
Hì
nh 3.6: Bộ điều khiển băng trễ. a) Hai mức; b) Ba mức............................................39
Hình 3.7: Các sector trong phương pháp DTC .............................................................. 40
Hì
nh 3.8: Lựa chọn vector điện áp khi vector từ thơng ở sector I.................................41
Hình 3.9: Sơ đồ phương pháp DTC sử dụng bộ nghịch lưu 3 mức cầu H ....................41
Hì
nh 3.10: Bộ điều khiển băng trễ của DTC với nghịch lưu ba mức............................ 42
Hình 3.11: Các sector trong phương pháp DTC cho bộ nghịch lưu 3 mức ..................43
Hì
nh 3.12: Mơhình hệ thống điều khiển DTC cho nghịch lưu VSI ............................. 45
Hì
nh 3.13: Khối bảng chọn vector với 6 vector ............................................................ 45
Hì
nh 3.14: Khối ước lượng moment vàtừ thơng ..........................................................46
Hì

nh 3.15: Khối chuyển đổi tọa độ 𝑎𝑏𝑐 → 𝛼𝛽 ............................................................. 46
Hình 3.16: Đáp ứng momen ..........................................................................................46
Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ ............................................................................................ 47
Hình 3.18: Dịng điện stator ..........................................................................................47
Hình 3.19: Đáp ứng từ thơng stator ...............................................................................47
Hình 3.20: Phân tích THD dịng điện tải .......................................................................48
Hì
nh 3.21: Mơhình hệ thống điều khiển DTC cho nghịch lưu cầu H ..........................48
Hình 3.22: Đáp ứng momen ..........................................................................................48
Hình 3.23: Đáp ứng tốc độ ............................................................................................ 49
Hình 3.24: Dịng điện stator ..........................................................................................49
Hình 3.25: Đáp ứng momen ..........................................................................................49
Hình 3.26: Phân tích THD dòng điện tải .......................................................................50

vii


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐA MỨC
1.1. Giới thiệu
Sự phát triển của bộ chuyển đổi công suất cao và bộ chuyển đổi trung thế từ giữa
những năm 1980. Khi các thyristor đóng ngắt 4500V đã được thương mại hóa. GTO ra
đời là tiêu chuẩn hệ chuyển động MV(medium- voltage) cho đến khi cósự ra đời của
Transistor lưỡng cực (IGBT) và Thyris chuyển cổng(GCTs) vào những năm 1990
những thiết bị này chuyển mạch này phát triển nhanh chóng vào lĩnh vực chính của
điện tử cơng suất do có đặc tính chuyển đổi tốt, giảm thiểu mất điện năng, dễ dàng
trong việc điều khiển chuyển đổi cổng vàkhông cần mạch chống nhiễu snubber.
Các bộ điều khiển trung thế bao gồm các mức công suất từ 0.4MW đến 40MW ở các
cấp điện áp trung thế từ 2.3kV đến 13.8kV. Cơng suất định mức có thể lên đến
100MW.Nơi thường xuyên sử dụng động cơ đồng bộ vàbiến tần chuyển đổi tải. Tuy
nhiên, phần lớn MV được lắp đặt trong phạm vi từ 1 đến 4kW với định mức điện áp từ

3,3kV đến 6,6kV. Bộ điều khiển MV công suất cao được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp.
Các động cơ điều khiển công suất cao được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp
. Chúng được sử dụng chủ yếu ở trong ngành khídầu hỏa, ngành vận tải, nhàmáy làm
kim loại vàcác ứng dụng khác.Việc lắp đặt động cơ trung áp tiết kiệm chi phí đáng kể
về năng lượng.
Hì
nh 1.1 thể hiện sơ đồ khối tổng quan của động cơ trung áp. Tùy thuộc vào yêu cầu
của hệ thống vàbộ biến đổi được sử dụng. Bộ lọc ở phía line-side vàMotor-side cóthể
tự chọn. Một bộ biến đổi pha với cuộn thứ cấp thường được sử dụng chủ yếu để giảm
thiểu biến dạng trên đường dây.

Hình 1.1 : Tổng quan sơ đồ khối của động cơ trung áp

1


Bộ chỉnh lưu diode, bộ chỉnh lưu SCR multipulse hoặc bộ chỉnh lưu điều chế độ rộng
xung PWM. Bộ lọc DC đơn giản làmột tụ điện được cung cấp DC tốt trong hệ thống
nguồn điện áp hoặc một cuộn cảm cung cấp hài hòa cho hệ thống DC nguồn dòng. Bộ
chỉnh lưu biến đổi điện áp cung cấp nguồn thành điện áp DC với biến cố định có thể
chỉnh sửa. Các topologie chỉnh lưu thường được sử dụng bao gồm chỉnh lưu bằng
diode, bộ chỉnh lưu SCR multipulse, hoặc bộ chỉnh lưu điều chế rộng xung PWM. Bộ
lọc DC cóthể đơn giản làmột tụ cung cấp một điện áp DC chí
nh trong hệ thống nguồn
điện áp hoặc cuộn cảm làm hài hịa dịng DC trong hệ thống nguồn dịng.
1.1.1. Phía động cơ (Motor-Side)
a. dv/dt vàphản chiếu sóng:
Tốc độ chuyển đổi nhanh của các thiết bị bán dẫn cao đến dv/dt sự gia tăng cao và
giảm của dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần. Tùy thuộc vào biên độ của điện áp

mạch DC của bộ biến tần vàtốc độ của bộ chuyển đổi, dv/dt có thể vượt quá10.000
V/s. Dv/dt cao trong dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần cóthể gây hư hỏng thiết
bị . Nó gây ra điện áp trục rotor thơng qua dung tích điện không mong muốn bởi
stator và rotor. Điện áp trục tạo ra dòng điện chạy vào ổ trục dẫn đến hư hỏng ổ trục.
Dv/dt cao cũng gây ra từ tính trong cáp kết nối của bộ biến tần, ảnh hưởng đến hoạt
động của thiết bị điện tử nhạy cảm gần đó.
Dv/dt cao cóthể gây ra gấp đơi điện áp tại sự gia tăng và giảm của dạng sóng điện áp
động cơ do hiện tượng phản chiếu sóng trong cáp dài. Hiện tượng phản chiếu được gây
ra không phù hợp giữa trở kháng của cáp vàtrở kháng tại hai đầu ( biến tần và động
cơ) . Chiều dài cáp tối quan trọng tối đa cho 500 V/s nằm trong khoảng 100 mét, cho
1000 V/s làkhoảng 50 mét, vàcho 10,000 V/s làkhoảng 5 mét.
b. Cường độ điện áp chung
Hành động chuyển đổi bộ chỉnh lưu và biến tần thông thường tạo ra điện áp chế độ
chung. Các điện áp chế độ chung thường là điện áp dãy số không gian hầu như là sự
kết hợp với nhiễu tín hiệu điện. Nếu khơng được giảm thiểu, các nhiễu này sẽ xuất
hiện trên dây trung cấp của cuộn dây stator so với đất, điều này phải bằng không khi
động cơ được cấp điện bởi nguồn cung cấp tiện í
ch cân bằng ba pha. Hơn nữa, điện áp

2


từ dây động cơ đến đất, điều này phải bằng với điện áp từ dây động cơ đến trung tâm
(pha), cóthể tăng đáng kể do các điện áp chế độ chung, dẫn đến việc hư hỏng sớm của
hệ thống cách điện của cuộn dây động cơ. Kết quả làtuổi thọ của động cơ bị rút ngắn.
Nên lưu ý rằng các điện áp chế độ chung được tạo ra bởi quátrì
nh chỉnh lưu và biến
đổi của bộ biến đổi. Hiện tượng này khác biệt so với dv/dt cao do sự biến đổi chuyển
đổi của các công tắc tốc độ cao.Cần lưu ý thêm rằng vấn đề về điện áp chế độ chung
thường được bỏ qua trong các động cơ điện áp thấp. Điều này một phần làdo thiết kế

bảo vệ của hệ thống cách điện cho các động cơ điện áp thấp. Trong các ứng dụng của
động cơ MV , động cơ không nên chịu bất kỳ điện áp chế độ chung nào.Nếu không,
việc thay thế động cơ bị hỏng sẽ rất tốn kém, bên cạnh việc mất sản xuất
c. Giảm công suất động cơ
Bộ biến đổi điện công suất cao cóthể tạo ra một lượng lớn các sóng điện áp vàdịng
điện sóng hài. Những sóng hài này gây thêm tổn thất công suất trong cuộn dây vàlõi
từ của động cơ. Kết quả là, động cơ bị giảm công suất vàkhông thể hoạt động ở cơng
suất tối đa của nó.
d. Dao động xoắn
Dao động xoắn (torsional vibrations) có thể xảy ra trong hệ thống điều khiển điện áp
trung thế (MV drive) do độ trễ lớn của động cơ và tải trọng cơ học của nó.Những dao
động xoắn được kích hoạt khi tần số tự nhiên trùng với tần số của biến đổi lực xoắn do
dòng điện của động cơ biến dạng gây ra. Những dao động xoắn quámức có thể dẫn
đến việc gãy trục vànối ghép, cũng như gây hỏng cho các bộ phận cơ học khác trong
hệ thống.
1.1.2. Line-side
a. Biến dạng dòng điện trên đường dây:
Bộ chỉnh lưu thường tạo ra dòng điện biến dạng từ nguồn cung cấp điện, vànógây ra
cách rãnh trên dạng sóng điện áp. Các dạng sóng biến của dịng điện và điện áp cóthể
gây ra vấn đề như tripping gây tổn hại trong quá trình điều khiển bằng máy , quánhiệt
máy biến áp, hỏng hóc các thiết bị, mất dữ liệu máy tí
nh. Tripping gây phiền hại các

3


dây chuyền lắp ráp công nghiệp thường gây lên ngừng máy và hư hỏng sản phẩm.
b. Hệ số công suất đầu vào:
Hệ số công suất đầu vào cao làmột yêu cầu chung cho tất cả các thiết bị điện. Hầu hết
các công ty cung cấp điện yêu cầu khách hàng của họ phải cóhệ số cơng suất 0.9 trở

lên để tránh bị phạt. Yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với động cơ trung áp do công
suất cao của nó
1.1.3. Hạn chế thay đổi thiết bị
a. Tần số chuyển đổi thiết bị:
Sự mất công suất do chuyển đổi thiết bị chiếm một phần đáng kể trong tổng công suất
mất trong hệ thống điều khiển điện áp trung thế Việc giảm thiểu sự mất cơng suất do
chuyển đổi cóthể dẫn đến giảm chi phívận hành khi hệ thống điều khiển điện áp trung
thế (MV drive) được vận hành. Kích thước vật lývàchi phísản xuất của hệ thống điều
khiển điện áp trung thế cũng có thể được giảm đi do thiết bị làm mát bị chuyển đổi
giảm đi. Lý do khác để giới hạn tần số chuyển đổi liên quan đến trở kháng nhiệt của
thiết bị có thể ngăn cản việc truyền nhiệt hiệu quả từ thiết bị đến bề mặt làm mát của
nó. Trong thực tế, tần số chuyển đổi thiết bị thường ở khoảng 200 Hz đối với GTO và
500 Hz cho IGBT vàGCT.
Việc giảm tần số chuyển mạch thường gây ra sự gia tăng sóng hài sự biến dạng của
dạng sóng điện áp tại phía nguồn và phía động cơ của bộ truyền động. Những nỗ lực
nên được được thực hiện để giảm thiểu độ méo dạng sóng với tần số chuyển mạch hạn
chế
b. Kết nối nối tiếp:
1.1.4. Cấu hì
nh của bộ biến đổi.
Bộ chỉnh lưu đa xung thường xuyên được sử dụng trong hệ thống điều khiển điện áp
trung thế (MV drive) để đáp ứng yêu cầu về sóng điện áp tại phía nguồn. hì
nh 1.2
minh họa biểu đồ khối của biến dòng 12,18 và24 pha. Mỗi bộ chỉnh lưu đa xung về cơ
bản bao gồm một máy biến áp chuyển pha với nhiều cuộn dây thứ cấp cấp nguồn cho
một bộ chỉnh lưu sáu xung giống hệt nhau

4

Hình 1.2: Sơ đồ khối của các biến dịng

Hình 1.3: Sơ đồ khối từng pha của VSI topologies

Cả hai thiết bị diode và SCR đều có thể sử dụng làm thiết bị chuyển đổi mạch. Bộ
chỉnh lưu đa xung diode phù hợp với các bộ truyền động cấp nguồn VSI trong khi bộ
chỉnh lưu SCR thường dành cho các bộ truyền động CSI. Tùy thuộc vào cấu hì
nh biến
tần, các đầu ra của bộ chỉnh lưu sáu xung có thể được nối nối tiếp để tạo thành một
nguồn cung cấp một chiều hoặc được kết nối trực tiếp với một biến tần nhiều cấp yêu
cầu nguồn cung cấp một chiều cách ly. Ngoài ra đối với các bộ chinh lưu diode và

5


SCR, bộ chỉnh lưu PWM sử dụng IGBT hoặc GCT cóthể cũng được sử dụng, trong đó
bộ chỉnh lưu thường có cấu trúc liên kết giống như bộ biến tần Để đáp ứng những
thách thức phía động cơ, nhiều cấu trúc liên kết biến tần có thể được áp dụng cho bộ
truyền động MV. Hình 1.3-2 minh họa sơ đồ từng pha thường được sử dụng cấu trúc
VSI ba pha topologies, bao gồm bộ biến tần đa cấp , bộ biến tần kẹp điểm (NPC) ba
cấp , bảy cấp. Biến tần cầu H vàbiến tần tụ điện kẹp bốn cấp. IGBT vàGCT cóthể sử
dụng trong bộ biến tần này như một thiết bị chuyển mạch.

Hình 1.4: Sơ đồ khối từng pha của CSI topologies

Cơng nghệ biến tần dịng điện hiện tại đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
điều khiển. Hình 1. 4 hiển thị sơ đồ từng từng pha của CSI topologies của động cơ
MV. Biến tần chuyển đổi tải dựa trên SCR đặc biết thí
ch hợp cho điều khiển động cơ
lớn trong khi bộ biến tần nguồn dòng PWM làlựa chọn ưu tiên cho hầu hết các ứng

dụng cơng nghiệp. Chỉnh lưu dịng điện PWM song song gồm hai hoặc nhiều biến tần
cầu đơn kết nối cho phép các thiết bị hoặc mạch hoạt động cùng lúc vàchia sẻ tải công
suất một cách hiệu quả.
1.2.1. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (Cascaded H-Bridge Multilevel
Inverters)
6


a) Giới thiệu.
Biến nghịch lưu đa mức cầu H làbộ chuyển đổi phổ biến được áp dụng trong các bộ
chuyển đổi trung thế cơng suất cao. Nó được sinh ra gồm nhiều loại loại pin cầu H một
pha. Cầu H cells thường được kết nối theo tầng xoay chiều để chúng đạt được điện áp
trung bình và độ méo sóng hài thấp. Trong thực tế, số lượng nguồn cells trong biến tần
trong cầu H được xác định bởi điện áp hoạt động vàchi phísản xuất. Vídụ, trong các
bộ truyền động MV có điện áp nối dây định mức là3300V, cóthể sử dụng bộ biến tần
9 cấp, trong đó bộ biến tần CHB cótổng cộng 12 nguồn cells. Việc sử dụng các nguồn
cells giống nhau dẫn đến modun đây là phương pháp tiện hiệu quả giảm chi phí.
b) Cấu trúc bộ nghịch lưu CHB(Cascaded H-Bridge)
Nghịch lưu đa mức nối tầng cầu H được dùng cho các ứng dụng trung áp vàcao áp.
Bộ nghịch lưu được nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép vào nối tiếp, ta gọi là
‘cell’. Cell rất thí
ch hợp cho bình điện, pin mặt trời,…do có nguồn riêng biệt.
Trên mỗi cell ln có 2 van dẫn vàkhóa. 𝑆1 𝑣à 𝑆4 , 𝑆2 𝑣à 𝑆3 khơng thể cùng đồng thời
đóng. Mỗi cell có ba mức đầu ra là+E, 0, -E. 𝑆1 𝑣à 𝑆2 đóng ta được mức lạc trên tụ
cũng khơng xảy ra. Do đó đây là dạng biến tần thơng dụng nhất.

S1

D1

S3

D3

Uh

E
S4

D4

S2

D2

Hình 1.5: Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

Cấu tạo bộ nghịch lưu CHB 5 mức từ đó ta có thể suy ra cấu tạo vànguyên lý hoạt
động của các bộ CHB mức cao hơn. Đối với bộ nghịch lưu CHB 5 mức nối tầng gồm
cóhai cầu H mắc nối tiếp trên mỗi pha. Tùy vào từng cách đóng ngắt trên các cell sẽ
tạo ra được các mức điện áp -2E, -E, 0, E, +2E.

7


O
A

C
B

S11a

D11a
S31a

D31a

E

U h1
S41a

D41a
S21a

S12a

D12a
S32a

D11b
S31b

S11b

S11c

D11c
S31c

D31c

D21b

S41c

D41c
S21c

D21c

D32b

S12c

D12c
S32c

D32c

S42c

D42c
S22c

D22c

D31b

E

E

D21a

S41b

D41b
S21b

D32a

S12b

D12b
S32b

U h2 E

E
S42a

D42a
S22a

D21a

E
D42b

S22b

S42b

D22b

N

Hình 1.6: Cấu trúc bộ nghịch lưu nối tầng 5 mức

c) Trạng thái của các khóa chuyển mạch
Mỗi một chân pha bao gồm 2 cell nguồn cầu H được cung cấp bởi hai nguồn cung cấp
một chiều cách ly có điện áp bằng E. Nguồn cung cấp một chiều thường được tạo ra
bởi bằng các bộ chỉnh lưu diod đa xung . Hình 1.3 có thể tạo ra điện áp pha với 5 mức
. Khi các công tắt 𝑆11𝑎 , 𝑆21𝑎 , 𝑆12𝑎 𝑣à 𝑆22𝑎 dẫn điện . Điện áp đầu ra trên của cầu H cell
𝑈ℎ1𝑥 = 𝑈ℎ2𝑥 = 𝐸 và điện áp pha biến tần thu được là𝑈𝑥𝑁 = 𝑈ℎ1𝑥 + 𝑈ℎ2𝑥 là điện áp
tại cực A của biến tần đối với trung tí
nh biến N. Tương tự, khi bật
𝑆31𝑥 , 𝑆41𝑥 , 𝑆32𝑥 𝑣à 𝑆42𝑥 , 𝑈𝑥𝑁 = −2𝐸. 3 mức điện áp còn lại (E, 0, -E). Tương ứng với
các trạng thái chuyển mạch khác nhau được tóm tắt trong bảng sau.
Đặt： 1 làtrạng thái mở van , 2 làtrạng thái đóng van.

8


Bảng 1.1: Trạng thái chuyển mạch của bộ khóa trên một pha 5 mức cầu H nối tiếp biến tần

Trạng
thái

Trạng thái các khóa chuyển mạch

𝑈𝐻1𝑥

𝑈𝐻2𝑥

𝑈𝑥𝑁

𝑆11𝑥

𝑆31𝑥

𝑆12𝑥

𝑆32𝑥

1

1

0

1

0

E

E

2E

2

1

1

1

0

0

E

E

3

0

0

1

0

0

E

4

1

0

1

1

E

0

5

1

0

0

0

E

0

6

0

0

1

1

0

0

7

1

1

1

1

0

0

8

1

1

0

0

0

0

9

0

0

0

0

0

0

10

1

0

0

1

E

-E

11

0

1

1

0

-E

E

12

1

1

0

1

0

-E

13

0

0

0

1

0

-E

14

0

1

1

1

-E

0

15

0

1

0

0

-E

0

16

0

1

0

1

-E

-E

0

-E

-2E

d) Bộ nghịch lưu nL - CHB (N-level cascade H-bridge multilevel inverter)
Từ cấu hình vàquátrình chuyển mạch bộ nghịch lưu 5L-CHB được trì
nh bày ở trên có
thể suy ra cấu hình vàbộ chuyển mạch của bộ nghịch lưu nL-CHB. Cấu hình của bộ
nL-CHB códạng như sau:

9


O
A

C
B

S11a

D11a S

31a

S11b

D31a

E

D11bS31b

S11c

D31b

E

S 41a

S12a

D41aS 21a

D21a

D12aS32a

D32a

E

S1na

S 41b

S12b

D41bS 21b

D21b

S 41c

D41cS 21c

D21c

D12bS32b

D32b

S12c

D12cS32c

D32c

S 42c

D42cS 22c

D22c

S1nc

D1nc S3nc

D3nc

D4ncS 2nc

D2nc

E

D42aS 22a

D22a

S 42b

D42bS 22b

D22b

D1naS3na

D3na

S1nb

D1nbS3nb

D3nb

E

E

S 4na

D4naS 2na

D2na

D31c

E

E

S 42a

D11c S31c

E

S 4nb

D4nbS 2nb

S 4nc

D2nb

N

Hình 1.7: Cấu trúc của bộ nghịch n mức kiểu nối tầng

Từ cấu hình trên tổng điện áp nguồn trong bộ nghịch lưu sẽ được tí
nh theo cơng thức:
𝑈𝑑𝑐.𝑡𝑣 = 2. 𝑝. 𝐸 ( 𝑝 𝑙à 𝑠ố 𝑐ầ𝑢 𝑐𝑒𝑙𝑙)
Số mức điện áp dây đầu ra: N = 2.p+1
Số mức điện áp dây mỗi pha: N= 2.N-1
Góc lệch của mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp: 𝛼𝑝 =

360
𝑝

Số cell cầu mắc nối tiếp được chọn từ 2 đến 6 bộ ứng với chuẩn điện áp của các máy
có cấp điện áp từ 2,3 đến 7,2kV. Các cell thường sử dụng cấp điện áp đầu vào
(460,630 và690) dẫn điện áp dây ở đầu ra của mỗi cell cóthể (800, 1100 và1200) và
dòng đạt được trong dải 70 đến 1000A
Số trạng thái chuyển mạch cóthể cócủa bộ nghịch lưu CHB

10