nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP





NGƠ MINH HỒNG

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






THÁI NGUN - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Học viên : Ngơ Minh Hồng
Lớp : CH - K13
Chun ngành : Tự động hóa
CB hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển




BAN GIÁM
HIỆU
KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC

CB HƯỚNG DẪN KHOA
HỌC
HỌC VIÊN





PGS.TS. Nguyễn Như Hiển

Ngơ Minh Hồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
1



LỜI CAM ĐOAN

Tơi là Ngơ Minh Hồng học viên lớp cao học K13 Tự Động Hố niên
khố 2010 -2012. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các
thầy cơ giáo và đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Như Hiển, thầy giáo hướng dẫn tốt
nghiệp của tơi, tơi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khố học thạc sỹ.
Tơi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " Nghiên cứu bộ biến đổi
nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng ".
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của các nhân tơi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Như Hiển và chỉ tham khảo các tài liệu đã được
liệt kê. Tơi khơng sao chép cơng trình của các nhân khác dưới bất kỳ hình thức
nào. Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Người cam đoan



Ngơ Minh Hồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
2

MỤC LỤC
Trang

Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5
Danh mục các hình vẽ 8
Mở đầu 10
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN BA PHA
12
1.1. Giới thiệu về biến tần sử dụng điện tử cơng suất 12
1.1.1. Biến tần 12
1.1.2. Bộ biến tần trực tiếp 13
1.1.3. Bộ biến tần gián tiếp 17
1.1.3.1. Bộ biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển 18
1.1.3.2. Bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ
biến đổi xung áp

19
1.1.3.3. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ
nghịch lưu PMW

20
1.1.3.4. Biến tần điều khiển vector 21
1.2. Biến tần ba pha 23
1.2.1. Giới thiệu chung 23
1.2.2. Biến tần ba pha trực tiếp 23
1.2.3. Biến tần ba pha gian tiếp 25
1.3. Lựa chọn hướng ứng dụng cho hệ thống truyền động sử dụng biến tần
ba pha
26
1.3.1. Lựa chọn biến tần 26
1.3.2. Lựa chọn động cơ 28
1.3.3. Lựa chọn phụ tải 29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
3

1.3.3.1. Chế độ làm việc của tải 30
1.3.3.2. Các u cầu về truyền động điện 32
1.3.3.3. u cầu về dừng chính xác, tiết kiệm năng lượng và an tồn.

33
1.3.3.4. Tính chọn cơng suất động cơ 35
1.4. Kết luận 38
CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA
- ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC


40
2.1. Mơ hình tốn học nhiều biến của động cơ khơng đồng bộ ba pha 40

2.1.1. Đặc điểm của mơ hình tốn học trạng thái động của động cơ
khơng đồng bộ

40
2.1.2. Mơ hình tốn học nhiều biến của động cơ KĐB ba pha
42
2.1.2.1. Phương trình điện áp
43
2.1.2.2. Phương trình từ thơng
44
2.1.2.3. Phương trình chuyển động
48
2.1.2.4. Phương trình mơ men
48
2.1.2.5. Mơ hình tốn học động cơ khơng đồng bộ ba pha
49
2.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ khơng đồng bộ 50
2.2.1. Điều khiển vơ hướng (SFC: Scalar Frequency Control)
51
2.2.2. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented
Control)

52
2.2.3. Điều khiển trực tiếp mo men (DTC: Direct Toque Control) 57
2.3 Kết luận
58
CHƯƠNG III
KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA –
ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ CHO CABIN THANG MÁY

59
3.1. Phân tích hệ truyền động biến tần – Động cơ khơng đồng bộ cho

Cabin thang máy

59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
4

3.1.1. Khối mạch lực 59
3.1.2. Khối điều khiển 60
3.2. Các thơng số chủ yếu của hệ truyền động biến tần – ASM 64
3.2.1. Động cơ ASM 64
3.2.2. Số liệu về biến tần 64
3.3. Sơ đồ mơ phỏng và các kết quả
65
3.3.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống và sơ đồ minh họa chi tiết: 65
3.3.2. Các kết quả mơ phỏng
71
3.4. Kết luận
73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
x(t), x Giá trị tức thời
X
*
, x
*
Giá trị đặt
α
Góc pha của vector chuẩn
λ
Hệ số cơng suất
ϕ
Góc pha dòng điện
ω
Vận tốc góc
ψ
Góc pha
ε
Góc pha điều khiển
cos ϕ
Hệ số cơng suất cơ bản
f Tần số
i(t), i Giá trị dòng điện tức thời
j Đơn vị ảo
∆X, ∆x
Sai lệch
k

P
, k
I
Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân
p(t), p Cơng suất tác dụng tức thời
q(t), q Cơng suất phản kháng tức thời
t Giá trị thời gian tức thời
v(t), v Giá trị điện áp tức thời
ψ
L
Vector từ thơng ảo
ψ
Lα
Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ α - β
ψ
Lβ
Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ α - β
ψ
Ld

Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ d - q
ψ
Lq

Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ d - q
u
L
Vector điện áp lưới
u
Lα

Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β
u
Lβ
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
6

u
Ld
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q
u
Lq
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q
i
L
Vector dòng điện lưới
i
Lα
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β
i
Lβ
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β
i
Ld
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q
i
Lq
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q
u
S

, u
conv
Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu
u
Sα
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β
u
Sβ
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β
u
Sd
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q
u
Sq
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q
u
dc
Giá trị điện áp một chiều
i
dc
Giá trị dòng điện một chiều
S
a
,S
b
,S
c
,

Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

C Giá trị tụ điện
I Giá trị hiệu dụng của dòng điện
L Giá trị điện cảm
R Giá trị điện trở
S Cơng suất biểu kiến
T Chu kỳ
P Cơng suất tác dụng
Q Cơng suất phản kháng
Z Tổng trở kháng
4Q Bốn góc phần tư (viết tắt của Four(4) Quater)
DPC Điều khiển trực tiếp cơng suất (viết tắt của D
irect Power Control)
DTC Điều khiển trực tiếp mơmen (viết tắt của D
irect Toque Control)
DPF Hệ số cơng suất dịch chuyển (viết tắt của D
isplacement Power Factor)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
7

FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)
PF Hệ số cơng suất (viết tắt của P
ower Factor)
PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse W
idth Modulation)
T
e
Mơmen điện từ
VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented C
ontrol)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Một số hình ảnh về biến tần 12
Hình 1.2: Sơ đồ khối quy trình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC
kết nối biến tần

13
Hình 1.3: Thiết bị biến tần trực tiếp 14
Hình 1.4: Sơ đồ ngun lý bộ biến tần trực tiếp 14
Hình 1.5: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều xoay chiều
hình sin

15
Hình 1.6: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của
các khâu trong biến tần trực tiếp

17
Hình 1.7: Thiết bị biến tần gián tiếp 18
Hình 1.8: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều 19
Hình 1.9: Bộ biến tần điều khiển vector 22

Hình 1.10 : Cấu trúc biến tần ma trận ba pha trực tiếp 24
Hình 1.11: Cấu trúc biến tần ma trận gián tiếp ba pha 25
Hình 1.12 Chế độ làm việc của Cabin thang máy 31
Hình 1.13: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của qng đường S,
tốc độ v, gia tốc a và độ dật
ρ
theo thời gian.

32
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ khơng đồng bộ 41
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của độngcơ

khơng đồng bộ nhiều biến

42
Hình 2.3: Mơ hình vật lý động cơ khơng đồng bộ ba pha 43
Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển vơ hướng hệ truyền động biến tần- động cơ

khơng đồng bộ

51
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ khơng đồng bộ 54
Hình 2.6: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ 55
Hình 2.7 : Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ truyền động biến tần – động cơ
đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

56
Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ khơng đồng bộ, điều khiển trực tiếp

mơmen.

58
Hình 3.12: Sơ đồ ngun lý phần lực truyền động biến tần động cơ khơng
đồng bộ rotor lồng sóc

59
Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 61
Hình 3.14: Cấu trúc khối điều khiển nghịch lưu của hệ truyền động
biến tần – động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc

63
Hình 3-15: Sơ đồ mơ phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ khơng đồng bộ ba pha

rotor lồng sóc điều khiển theo VOC - DTC

65
Hình 3-16: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 66
Hình 3-17: Triển khai chi tiết khối IGBT Converter 66
Hình 3-18: Thơng số động cơ ASM 67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
9

Hình 3-19: Mơ tả tốn học động cơ ASM 68
Hình 3-20: Khối điều khiển PWM 68
Hình 3-21: Khối Current Control 69
Hình 3-22: Khối Voltage Control 69
Hình 3-23: Khối Inv_Motor 70
Hình 3-24: Khối Inv_Motor/ Direct Torque Control 70
Hình 3-25: Khối Inv_Motor/ Speed Control 71

Hình 3-26. Đồ thị tốc độ của Cabin 71
Hình 3-27. Đồ thị mơ men của Cabin 72
Hình 3-28. Đồ thị tốc độ và mơ men của Cabin 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
10



LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, tin học và tự
động hóa, nền cơng nghiệp nước ta đang từng ngày hội nhập với nền kinh tế thế
giới và tiếp nhận những thành tựu mới nhất của khoa học và cơng nghệ. Đây là
những u cầu và thách thức đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học kỹ thuật và cơng
nhân trong nước phải khơng ngừng học tập để tiếp cận và làm chủ những cơng
nghệ tiên tiến của thế giới.
Sau 2 năm được đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Kỹ thuật Cơng
nghiệp, tơi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu bộ biến đổi
nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng”. Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền
động biến tần ba pha - động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc cho phụ tải thế
(Cabin thang máy).
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương I : Giới thiệu về biến tần ba pha.
Chương II : Nghiên cứu hệ truyền động biến tần ba pha– động cơ khơng
đồng bộ rotor lồng sóc.
Chương III : Khảo sát chất lượng hệ truyền động biến tần ba pha - động
cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc cho cabin thang máy.
Đề tài đã được hồn thành, ngồi sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ
bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cơ giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển , người đã

ln quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình
thực hiện luận văn. Chân thành cảm ơn thầy.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
11


Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn khơng
tránh khỏi thiếu sót, tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy
cơ và các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
12

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN BA PHA

1.1. Giới thiệu về biến tần sử dụng điện tử cơng suất
1.1.1. Biến tần
Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay
chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà có thể thay đổi
được.


Đối với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì
ngồi việc thay đổi tần số, chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp
lưới cấp vào bộ biến tần.

Bộ biến tần chia làm hai nhóm :
- Biến tần máy điện : sử dụng máy điện xoay chiều làm biến đổi tần số nguồn
điện.
- Biến tần sử dụng điện tử cơng suất ( biến tần van) : dùng các tín hiệu điều
khiển để đóng mở các van ( thường là tiristor hay transistor) biến đổi dòng điện xoay
chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác



Hình 1.1. M
ơ
t s
ố
h
ình

ảnh về biến tầ
n

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
13

Biến tần van thường được chia thành hai loại :
- Biến tần trực tiếp
- Biến tần gián tiếp
Biến tần van được ứng dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ
nhẹ, khơng gây ồn, hệ số khuếch đại cơng suất lớn, hiệu suất cao.

1.1.2 Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều khơng
thơng qua khâu trung gian một chiều. Bộ biến tần này thường dược dùng
cho truyền động có cơng suất lớn, tốc độ làm việc thấp.
Hình 1.2. Sơ đồ khối quy trình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng
PLC kết nối biến tần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
14

Cấu trúc của bộ biến tần này như hình 1.3, trong đó chỉ cần dùng một bộ biến
đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số khơng đổi thành
điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được.



Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược như hình 1.4. Các bộ
chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu hoặc các bộ chỉnh
lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần sóng điều hòa
bậc cao càng giảm.

Ngun lý làm việc của bộ biến tần như sau:
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo ra bởi mạch điện mắc
song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor. Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần
lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ nhận điện áp ra
xoay chiều U
1
. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển
α
,còn tần số của nó

phụ thuộc vào tần số khống chế q trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh
lưu mắc song song ngược. Nếu góc
α
khơng thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có


BIẾN TẦN
~3
U
1
,f
1

~3
U
2
,f
2

Hình 1.3: Thiết bị biến tần trực tiếp
Tải

~3
U
1
,f
1

~3
U

2
,f
2

Hình 1.4 : Sơ đồ ngun lý bộ biến tần trực tiếp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
15

giá trị khơng đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận được điện áp đầu
ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của
mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó ( mỗi nửa chu kỳ điện áp ra);
chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận , thực hiện thay đổi góc điều khiển
α
từ
2/
π
(ứng với điện áp trung bình bằng khơng ) giảm dần đến 0 ( ứng với điện áp
trung bình đạt cực đại), sau đó tăng dần
α
từ 0 lên tới
2/
π
thì điện áp trung bình đầu
ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc
α
thay đổi
trong phạm vi
2/
π
÷ 0 ÷

2/
π
để điện áp biến đổi theo quy luật gần như hình sin, như
trên hình 1.5 . Trong đó tại điểm A có
α
= 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại,
sau đó tại điểm B,C,D,E góc
α
tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho
đến điểm F với
α
=
2/
π
điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa đầu
chy kỳ là hình sin như nét đứt trong hình. Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu
kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế.


Trên đây đã phân tích đầu ra mơt pha biến tần xoay chiều – xoay chiều ( trực
tiép), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác nhau cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc
song song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc lệch pha nhau 120
o
. Như vậy,
nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha
Hình 1.5. Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều
xoay chiều hình sin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
16

sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor ( mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor ) nếu dùng lọai
sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy
về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất
nhiều khiến cho tổng kích thước tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tương tự
như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều khiển điều
tốc một chiều có đảo chiều nên q trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực
hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên) đối với
các linh kiện khơng có u cầu gì đặc biệt. Ngồi ra từ hình 1.5 có thể thấy, khi điện
áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh
chóng, vì vậy tần số đẩu ra lớn nhất cũng khơng vượt q 1/3 -1/2 tần số lưới điện (
tùy theo số pha chỉnh lưu ) nếu khơng đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng
tới sự làm việc bình thườngcủa hệ thống điều tốc biến tần. Do số lượng linh kiện
tăng nhiều tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần
hẹp (vì cũng bị giới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được sử dụng, chỉ
trong một số lĩnh vực u cầu cơng suất lớn và tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như
máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng… những loại máy này khi dùng động cơ
tốc độ thấp được cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất
cồng kềnh và thường tiristor mắc song song ngược mới thỏa mãn được u cầu cơng
suất ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều
,phạm vi thay đổi tần số khơng rộng , chất lượng điện áp ra thấp nhưng có ưu điểm
là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt ý nghĩ khi
cơng suất hệ thống điều tốc cực lớn ( các hệ thống dùng động cơ cơng suất đến
16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng hình 1.6 ta thấy cơng suất tức thời của biến tần
bao gồm có bốn giai đoạn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
17



Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần

lấy cơng suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích điện áp và
dòng điện của biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại cơng suất cho lưới.
1.1.3 Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một cơng suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như :
- Chỉ tạo ra điện áp xoay chiều đẩu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới.
- Khó điều khiển ở tần số cận khơng vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ
khá lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khơng cao.
- Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.

\

Hình 1.6: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của
các khâu trong biến tần trực tiếp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
18

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng
cao chất lượng hệ thống truyền động biến tần –động cơ xoay chiều đó là biến tần
gián tiếp . Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến
tần trực tiếp.

Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian 1 chiều nên có thể có các cấu trúc
khác nhau, cấu trúc chung đuợc mơ tả như hình 1.7. Về cơ bản có thể có ba khâu
chính : chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra
mà có thể có ba dạng sau : Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển , bộ biến tần
dùng chỉnh lưu khơng điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp 1 chiều, bộ biến
tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung
( PWM).

1.1.3.1. Bộ biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần có cấu trúc như hình 1.8a, điện áp xoay chiều lưới điện được biến
đổi thành điện áp 1 chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc có
thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu u cầu, khối
nghịch lưu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện áp
ra U
2
đựoc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều
chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên q trình điều khiển được phối
hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản,
dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành 1 chiều (đầu vào) sử
dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số cơng suất giảm
Hình 1.7: Thiết bị biến tần gián tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
19

thấp, khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện 1 chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường
dùng nghịch áp ba pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều
đầu ra thường có biên độ khá lớn. Đây là nhược điểm chủ yếu của loại biến tần này.



1.1.3.2. Bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi
xung áp
Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển kết hợp
với biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối
nghịch lưu được biểu diễn như hình 1.8b.*
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu
sử dụng bộ chỉnh lưu điơt khơng điều khiển. Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ biến

đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà khơng có khả
năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố

Hình 1.8: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian 1 chiều
a. Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor
b. Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung áp
c. Bi
ế
n t
ầ
n d
ùng ch
ỉnh lư
u khơng
đi
ề
u khi
ể
n vớ
i ngh
ịch lưu đi
ề
u ch
ế
PWM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
20

trí thêm bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều để điều chỉnh giá trị điện áp 1 chiều cấp

cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay
chiều đầu ra nghịch lưu U
2
. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm vào một khâu (
chưa kể khâu lọc) nhưng hệ số cơng suất đẩu vào khá cao, khắc phục được nhược
điểm của bộ biến tần thứ nhất. Khối nghịch lưu đầu ra khơng thay đổi nên vẫn tồn tại
nhược điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn.
1.1.3.3. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ nghịch
lưu PMW
Như đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều
chỉnh tỷ số điện áp – tần số khơng đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì
việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu : điều chỉnh tần số
ở khâu nghịch lưu còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã
kéo theo một số vấn đề là :
- Mạch điện chính có hai khâu cơng suất điều khiển được nghĩa là khá phức tạp
- Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với qn
tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ.
- Do bộ chỉnh lưu có điều khiển làm cho hệ số cơng suất của nguồn điện cung
cấp giảm nhỏ khi cơng suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi của chế độ làm việc
của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn.
- Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo
ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mơ men biến động khá
lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt là khi ở tốc độ thấp.
Vì vậy các thiế biến tần do các linh kiện điện tử cơng suất dạng tiristor khơng thể
đáp ứng được những u cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự
xuất hiện các linh kiện điện tử cơng suất điều khiển hồn tồn (GTO,IGBT,…) cùng
với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra các điều kiện tốt để giải quyết vấn
đề này.
Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thơng tin vào việc
điều chế điện áp ra của biến tần về cơ bản đã giải quyết được vấn đề tồn tại trong bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
21

biến tần thơng thường dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là
hệ thống điều tốc dòng điện xoay chiều cận đại. Hình 1.8c giới thiệu cấu trúc bộ biến
tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần có khâu trung gian một chiều chỉ khác
là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu khơng điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi
qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều có giá trị khơng đổi dùng để cấp cho
khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở cơng suất trong khâu nghịch lưu là các phần tử
điều khiển hồn tồn và được điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên
đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phương pháp điều
khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng – cắt chính là phương
pháp điều chế độ rộng xung. Ở đây thơng qua việc thay đổi độ rộng các xung chữ
nhật có thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lưu, đáp
ứng u cầu phối hợp giá trị điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần.
Đặc điểm chủ yếu của mạch điện này là :
- Mạch điện chính chỉ có một khâu cơng suất điều khiển được, đơn giản hóa cấu
trúc, hệ số cơng suất của mạng điện khơng liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra
bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1.
- Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, khơng liên quan đến
tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều nên làm tăng độ tác động nhanh
trạng thái động của hệ thống.
- Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, hạn chế hoặc lọai bỏ được sóng hài
bậc thấp, làm cho động cơ có thể làm việc với điện áp biến thiên gần như hình sin,
biến động của mơ men khá nhỏ, mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống
truyền động.
1.1.3.4. Biến tần điều khiển vector
Với sự ra đời của các linh kiện bán dẫn cơng suất điều khiển hồn tồn dẫn đến
việc xuất hiện nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin ( SPWM) đã cải thiện một
bước chất lượng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phương pháp

điều chỉnh U
1
/f
s
= hằng số (f
s
là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator
động cơ, đây cũng chính là tần số f
2
trong các sơ đồ hình 1.8 và 1.9 ) có thể cho phép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
22

điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều
chỉnh đã được mở rộng nhưng mơ men cực đại bị giới hạn và chưa đáp ứng được các
u cầu cao về chất lượng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc
vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM như là hệ điều tốc điều khiển tần số trựơt
chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay
chiều, tạo được đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một
chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thống vẫn còn xa mới đạt được như hệ
thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều.
Dựa vào kết quả nghiên cứu, các nhà sáng chế đã tạo nên hệ thống điều tốc
biến tần điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lưu điều khiển vector
được mơ tả như hình 1.9. Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hồn tồn
tương tự như của biến tần điều chế động rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều
khiển khối nghịch lưu áp dụng phương pháp điều khiển vector. Trong biến tần điều
khiển vector, người ta áp dụng phép biến đổi tọa độ khơng gian các vector dòng, áp,
từ thơng động cơ từ hệ a-b-c sang hệ hai pha quay d-q, quay đồng bộ với từ trường

stator của động cơ và thường chọn trục d trùng với vector từ thơng rotor (điều khiển
hướng theo từ trường stator). Thơng qua phép biến đổi tọa độ khơng gian vector, các
đại lượng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lượng một chiều
nên hồn tồn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ thống truyền động
động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đó, các đại lượng một chiều
đầu ra các bộ điều chỉnh lại đựơc biến đổi thành đại lượng xoay chiều ba pha qua
phép biến đổi ngược tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van
nghịch lưu. Hệ truyền động điện biến tần vector- động cơ xoay chiều được thực hiện

Hình 1.9: Bộ biến tần điều khiển vector

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />
23

ở dạng hệ vòng kín với việc điều khiển định hướng theo từ trường rotor cho phép có
thể duy trì được từ thơng rotor khơng đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản),
thực hiện được quan hệ E
r
= f
s
= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay
chiều khơng đồng bộ trong hệ có dạng như đặc tính động cơ một chiều ( với khả
năng q tải mơ men rất lớn).
1.2. Biến tần ba pha
1.2.1. Giới thiệu chung
Các bộ biến tần thơng thường ln tồn tại một số nhựơc điểm cơ bản như :
sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số cơng suất thấp , một số biến tần
cho chất lượng điều khiển tốt khi dòng trung tính bằng khơng nhưng trong trường
hợp nguồn tải khơng cân thì lại khiến chất lượng điều khiển khơng tốt có thể gây ra
sự cố hệ thống.

Biến tần ba pha bốn dây được phát triển trên cơ sở chỉnh lưu ba pha ba dây để
khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn khơng cân
bằng, thơng qua việc trên mạch lực có thêm một cặp van bán dẫn để điều khiển
dòng trung tính. Nhờ vậy chúng có khả năng làm việc tốt trong điều kiện nguồn
khơng cân bằng.
1.2.2. Biến tần ba pha trực tiếp
Biến tần ma trận ( matrix converter – MC ) là bộ biến đổi trực tiếp AC –AC
có nhiều ưu điểm như trao đổi cơng suất theo hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng
hình sin, hệ số cơng suất đầu vào gần bằng một. Biến tần ma trận trực tiếp ba pha –
bốn dây ( TFDMC) được chỉ ra trên hình 1.10 đầu vào có ba nhánh, đầu ra có bốn
nhánh, ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính, cấu trúc này đáng ứng
được các u cầu cho các phụ tải cần sử dụng dây trung tính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />