Luận văn kỹ thuật điều khiển bộ biến tần đơn giản

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ






LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ
BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN


SVTT :HOÀNG QUỐC PHÚ
MSSV :40201936
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
BỘ MÔN :CUNG CẤP ĐIỆN


TP HỒ CHÍ MINH ,THÁNG 1/2007

1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

3

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt bốn hơn bốn năm dưới sự dạy dỗ của các
thầy cô của trường đại học Bách khoa cùng với sự nổ lực
không ngừng của bản thân. Hôm nay em đã hoàn thành
luân văn tốt nghiệp. Đây là đề tài hoàn chỉnh đầu tiên của
em cũng là bước cuối cùng chuẩn bò ra trường .
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy
cô trường Đại học Bách khoa đã bao năm tận tình giảng
dạy truyền đạt cho em những kiến thức, những kinh
nghiệm quý báu của mình
Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện –Điện
tử Đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật điện đã trực
tiếp giảng dạy những kiến thức chên nghành để em hoàn
thành Đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy
Nguyễn Văn Nhờ đã tận tụy từng bước hướng dẫn cho em
giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng
biết ơn vô hạn vì sự động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về
mọi mặt để cho con đạt được kết quả hôm nay.
Chân thành cảm ơn các anh chò bạn bè đã quan tâm,
động viên và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành luận văn
tốt nghiệp này.
Một lần nữa xin gửi đến các thầy cô, gia đình và bạn

bè lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất.


Sinh viên Hoàng Quốc Phú
.

4

MỤC LỤC
MỤC LỤC 4
CHƯƠNG I
6
GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN

CHƯƠNG II:
8
ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN

1.ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIAN BỐN CÔNG TẮC 8
2.MẠCH SỬ DỤNG CHỈNH LƯU HOẶC NGUỒN DC. 12
3.MẠCH CÓ PHA NỐI VỚI ĐIỂM GIỮA HAI TỤ PHÂN ÁP. 14
4.BỘ CHỈNH LƯU LÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN HOẶC BÁN
PHẦN . 18
CHƯƠNG III: 20
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN BẰNG ĐỘ RỘNG XUNG SIN

1. ĐẶC ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP ĐỘ RỘNG XUNG SIN. 20
2-BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG NGUỒN DC HAY BỘ CHỈNH LƯU
HOÀN TOÀN. 21
3- BỘ BIẾN TẦN CÓ PHA NỐI VÀO ĐIỂM GIỮA HAI TỤ

PHÂN ÁP 25

CHƯƠNG IV 28
:ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG VÉC TƠ KHÔNG GIAN

1-PHƯƠNG PHÁP VÉC TƠ KHÔNG GIAN 28
2. PHÂN TICH VECTOR TRONG BỘ BIẾN ĐỔI BỐN CÔNG TẮC 30
3.TÍNH TOÁN THỜI GIAN CỦA CÁC TRẠNG THÁI 33
4.MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP VECTOR SỬ
DỤNG KHỐI DLL 37
4.a) nguồn dc là không đổi 37
4.b ) mạch sư dụng bộ chỉnh lưu. Có pha thứ 3 mắc vào
giữa hai tư phân áp. 41
4.c). mạch sử dụng bộ chỉnh lưu 1 pha. 45
4.d)mạch chỉnh lưu 3 pha 48

5
4.e)có gắn thêm đông cơ 50

CHƯƠNG V : 52
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG VECTOR
KHONG GIAN KẾT HP SỬ DỤNG SÓNG MANG

1.PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 52
2-PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN ĐỂ TÌM RA PHƯƠNG PHÁP KÍCH
CHO CÔNG TẮC ĐIỀU KHIỂN: 52
3-MÔ PHỎNG VỚI KHỐI DLL LÀM THUẬT TOÁN: 53
a.mô phỏng với nguồn DC tải RL 56
b.Với động cơ không tải 67
c.động cơ có gắn tải 69

4-KẾT LUẬN 71















6
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN TẦN ĐƠN
GIẢN

Trong thời gian gần đây với sự phát triển các loại linh kiện bán dẫn công suất
giúp cho các thiết bò điều khiển năng lượng điện được cải tiến mạnh mẽ. Ban đầu với
các Diode ,Transistor BJT công suất ,MOSFET , có công suất thấp ,tổn hao lớn thì
nay đã tạo ra nhiều các thiết bò bán dẫn có công suất lớn, giảm tổn hao, tốc độ đóng
ngắt cao đáp ứng cho điều khiển động cơ đăc biệt là điều khiển động cơ không đồng
bộ ba pha, động cơ brushless DC . Các bộ biến đổi công suất như : Bộ chỉnh lưu , Bộ
biến đổi điện áp một chiều , Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ,Bộ nghòch lưu và biến
tần.
Hiện nay các nhà sản suất chip và vi mạch như Microchip,Texa Intrument đã
tạo ra các loại vi điều khiển có tốc độ tính toán cao, Data có dung lượng lớn.

Thực tế ngày nay thường dùng bộ biến tần 6 công tắc điều khiển bằng phương
pháp véc tơ không gian , và thông dụng nhất là điều khiển V/f có thể hồi tiếp dòng
,vận tốc hoặc không hồi tiếp. Tuy nhiên trong đề tài này chỉ nghiên cứu tìm hiểu về bộ
biến tần có 4 công tắc là bộ biến tần ít được nghiên cứu tìm hiểu nên chúng vẫn có
những điều chưa được biết đến. Với sự nổ lực của bản thân mong sẽ đưa ra phương
pháp điều khiển tốt nhất , ứng dung được vào thực tế.
Trong phần này chỉ tìm hiểu về bộ Biến Tần đơn giản ba pha.Bộ biến tần gồm
bộ chỉnh lưu và bộ nghòch lưu :
Bộ chỉnh lưu.
- Bộ chỉnh lưu có nhiệm vu ïbiến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một
chiều, gồm : chỉnh lưu có điều khiển và chỉnh lưu không điều khiển.
Bộ nghòch lưu.
-Bộ nghòch lưu có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều thành
nguồn điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Bộ nghòch lưu điện áp 3 pha hiện tại vẫn sử dụng làbộ nghòch lưu dạng cầu
mạch chứa gồm sáu công tắc S1, S2, S3, . . . và sáu Diode mắc đối song dùng cho tải
có thể mắc hình sao hay tam giác. Bộ này có thể goi là biến đổi sáu công tắc có thể
ứng dụng trong phạm vi công suất vừa và nhỏ.Trong thực tề người ta thường sử dụng

7
bộ biến tần có sáu công tắc . Xem hình 1

Hình 1
Các ưu điểm của bộ biến đổi 4 công tắc so với 6 công tắc:
- giảm số công tắc đóng ngắt cho bộ nghòch lưu và có thể cho bộ chỉnh
lưu.
- Có thể giảm giá thành cho thiết bò điều khiển do giảm số công tắc đóng
ngắt.
- Giảm thiết bò điều khiển cho các thiết bò đóng ngắt.
- Giảm tổn hao trên thiết bò đóng ngắt dẫn đến tăng hiệu suất cho thiết bò.

- Có thể hoạt động sự biến đổi tần số rộng.
- Tăng công suất điều khiển ở tần số thấp.
Các ưu điểm hơn rất rõ nhưng có một số vấn đề cần giải quyết như sau:
- Điện áp đầu ra có độ dốc cao
- Nhánh c trong bộ biến đổi sẽ có dung kháng nếu thêm tải dung kháng
nữa sẽ dẫn đến quá dung. Nên chỉ điều khiển tải là động cơ hoặc tải có cảm
kháng lớn .
- Điện áp đỉnh của các thiết bò sẽ tăng lên.
- Tỉ số điều chế điện áp nhỏ nay là nhược điểm mà khó khắc phục nhất
dẫn đến bộ này ít được sử dụng.
Trong đề tài nay sẽ đưa ra phương pháp có thể làm cho dòng tải có thể cân
bằng nhất.



8
CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN
GIẢN

Bộ biến tần thường dùng là bộ biến tần sáu công tắc , ở đây chỉ giới
thiệu về bộ biến tần có 4 công t ắc . tuy có nhiều loại nhưng thường chỉ khác
nhau về bộ chỉnh lưu còn bộ nghòch lưu chúng có cùng sơ đồ hoạt động. Tuy
vậy vẫn phải sử dụng những phương pháp điều khiển khác nhau Sau đây là
từng loại sơ đồ.
1.Đặc điểm của bộ biến tần đơn gian bốn công tắc.
Bộ gồm 4 công tắc và hai tụ điện đưa ra điện áp 3 pha (hình 2). Ở bộ biến
đổi này có thể đóng ngắt không theo quy tắc đối nghòch cũng vẫn hoạt đông
được. Vì vậy dù là 4 công tắc nhưng vẫn có đến 8 trang thái đóng ngắt hoạt
động được. Nếu trạng thái đóng là (1) trạng thái ngắt là (0) ta có bảng sau:
trạng

thái
S1 S2 S3 S4
1 0 1 0 1
2 0 1 1 0
3 1 0 0 1
4 1 0 1 0
5 1 0 0 0
6 0 1 0 0
7 0 0 1 0
8 0 0 0 1
Bảng 2.1

Hình 2.1

9
Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghòch lưu được thể hiện như sau

2.2a

2.2b

2.2c

10

2.2d

2.2e

2.2f

11


2.1h


2.1g









12

Va + Vb + Vc = 0.
Trạng
thái Va Vb Vc
1 2Vc2/3
-
Vc2/3
-
Vc2/3
2 0 Vdc/2
-

Vdc/2
3 0
-
Vdc/2 Vdc/2
4
-
2Vc1/2 Vc1/2 Vc1/2
5 - Vc1/2 0 Vc1/2
6 Vc2/2 0
-
Vc2/2
7 -Vc1/2 Vc1/2 0
8 Vc2/2
-
Vc2/2 0
Bảng 2.2


2.mạch sử dụng chỉnh lưu hoặc nguồn DC.
Sử dụng nguồn DC hoặc bộ chỉnh lưu có đặc điểm là nguồn có áp ra
cố đònh nên khi hoạt động tụ điện cũng điều hoà không mất cân bằng. Bộ này
sử dụng được cho nguồn dự phòng.
Mạch chỉnh lưu có thể chỉnh lưu 1 _pha hay chỉnh lưu 3_pha.
Bộ nghòch lưu này thường dùng trong thực tế có áp chỉnh lưu DC
phẳng. Trong đó bộ 3_pha phẳng hơn so với bộ 1 pha ta có thể tính áp từng bộ
theo công thức sau.
Đối với bộ 1_pha :
Điện áp chỉnh lưu có dạng u=U
m
.sin(wt). Trò trung bình điện áp chỉnh

lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển.

13
U
d
=

+
dxxU
m
x
x
)sin(
0
0
1


=

m
U.2




Hỡnh 2.3
Chổnh lửu cau 3 pha:
ẹieọn aựp vaứo u
a

= U
m
sin(wt)
u
b
= U
m
sin(wt- 3/2

)
u
c
= U
m
sin(wt+2
3/

)

U
d
=

+++

2/
0
2/3
2/
2/5
2/3
2
2/5
6/
0
2/3
6/5
2
2/3
6/5
6/
(
2
1

uauaubucuuuu
bcab
=
=
m
U

33
.

14

Hình 2.4





Hình 2.5a

15

Hình 2.5,b.

3.mạch có pha nối với điểm giữa hai tụ phân áp.

Việc phân tích điện áp trên hai tụ tương đối phức tạp còn phụ thuộc vào
dòng tải .
Việc phân tích để :
- đưa ra trạng thái đóng kích cho bộ nghòch lưu.
- tính toán độ lớn của áp tụ để chọn tụ thích hợp .
-chọn điện áp cung cấp phù hợp với tải .
Ta có điện áp ra của bộ nghòch lưu:
v
01
=V
0
sin(wt) .
v
02
=V
0
sin(wt- 3/2
π
) .
v
03
=V
0
sin(wt+
3/2
π
) .
dòng ra của bộ nghòch lưu:
i
01

= I
0
sin(wt - θ) .
i
02
= I
0
sin(wt – θ -
3/2
π
) .
i
03
= I
0
sin(wt - θ + 3/2
π
) .
điên áp dây so trên các pha được thể hiên qua các công tắc đóng ngắt
v
01n
= v
01
– v
03
= 3 V
0
.sin(wt -
π
/6) .

16
v
02n
= v
02
– v
03
= 3 V
0
.sin(wt -
π
/2) .
Dựa vào sơ đồ ta có hàm đóng ngắt công tắc:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥

⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
V
V
SS
SS
v
v
n
n
.
43
21
02
01

S1+S 2=1;
S3+S4=1;
Kết quả:
S1 = 0.5.
[
]
)6/sin(1
0
π
−
+

wta .
S2 = 0.5.
[
]
)6/sin(1
0
π
−
−
wta .
S3= 0.5.
[
]
)2/sin(1
0
π
−
+
wta .
S4 = 0.5.
[
]
)2/sin(1
0
π
−
−
wta .
a
0

= 3
V
V0

Dòng DC liên kết sẽ là:

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
02
01
05

04
.
42
31
i
i
SS
SS
i
i
.

I
04
=
2
0
I
sin( wt – θ - )3/
π
+
4
3
aI
0
cos(θ
0
)=
=-
P

Ii
003
2
1
2
1
+

I
05
=
2
0
I
sin( wt – θ - )3/
π
-
4
3
aI
0
cos(θ
0

=-
P
Ii
003
2
1

2
1
− .
Với I
0p
= (
θ
cos).2/3
00
Ia .
Từ bộ chỉnh lưu ta thấy cũng có công thức tính :
I
i4
=-
iPỉi
ii
2
1
2
1
+ .

17
I
i5
=-
iPỉi
ii
2
1

2
1
− .
Dòng I
ip
và dòng i
0P
là dòng công công suất đầu ra.theo đònh luật kirchhoff’s
dòng vào và dòng ra có công thức như sau:
i
03
+i
04
+i
05
=0 .
i
i3
+i
i4
+i
i5
=0 .
ta có công suất trên bộ biến tần và công suất trên động cơ.
P
ac
= 3/2.V
0
.I
0

cosθ .
P
dc
=V
0.
I
0P
= 3/2 .V
0.
I
0
cosθ .
Dòng trên hai tụ phân áp sẽ là:

i
c1
=i
i4
-i
i5
=-
2
1
(i
i3
-i
03
)+
2
1

(i
iP
-i
0P
) .
i
c2
=i
04
-i
05
=-
2
1
(i
i3
-i
03
)+
2
1
(i
iP
-i
0P
) .
i
c1
+i
c2

=i
iP
+i
0P


điện áp trên hai tụ:

v
c1
=
∫
dti
C
c1
1
, v
c2
=
∫
dti
C
c2
1
.
v
dc
= v
c1
+v

c2
=
∫
+ dtii
C
cc
)(
1
21
=
∫
− dtii
C
PiP
)(
1
0
.

Điện áp vào V
dc
thay đổi không đáng kể có thể là không đổi nếu như là bộ
chỉnh lưu điều khiển
Ta thấy điện áp trên tụ điện phụ thuộc vào độ lớn dòng vào và dòng ra i
iP
và i
0P .
tần số hoạt động ,vào điện dung ,vào tải.
Dựa vào phân tích ta thấy điện áp trên một tụ có thể đạt giá trò lớn nhất khi
tụ còn lại đạt giá trò nhỏ nhất có thể bằng không và độ lớn cực đải bằng giá trò

lớn nhất điện áp dây của tải và của nguồn cung cấp . tần số nguồn cung cấp

18
phải có độ lớn không quá nhỏ sao cho sao cho vẫn giữ được khoảng diện áp ổn
đònh cho bộ chỉnh lưu .



Hình 2.6


Hình 2.7








19

4.bộ chỉnh lưu là bộ điều khiển toàn phần hoặc bán phần .



Hình 2.8

Hình 2.9





20
CHƯƠNG III:
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN BẰNG ĐỘ RỘNG XUNG
SIN


1- đặc điểm phương pháp độ rộng xung sin.
Đây là phương pháp đã và đang sử dụng rộng rãi trong thực tế với
phương pháp này nó có ưu điểm tôt hơn phương pháp sáu bước là giàm sóng
hài.
Về nguyên lý phương pháp này thực hiện dựa vào kỹ thuật analog.
Giản đồ kích đóng công tắc nghòch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ
bản:
- Sóng mang u
p
tần số cao .
- Sóng điều khiển u
r
(referentce signal) dạng sin . Ví dụ công tắc lẻ
được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (u
r
> u
p

) .trong
trường hợp ngược lại sóng điềunkhiển nhỏ hơn sóng mang công tắc chẵn
được kích đóng.

Sóng mang u
p
có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao ,
lượng sóng hài bậc cao bò khử càng nhiều . tuy nhiên ,tần số đóng ngắt cao
làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo . ngoài
ra ngoài ra các linh kiệnđòi hỏi thời gian đóng t
on
và ngắt t
off
nhất đònh. Các
yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang .

Sóng điều khiển u
r
mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số
sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra . Ttrong trường hợp bộ nghòch lưu áp
3_pha, ba sóng điều khiển của 3_pha phải tạo lệch nhau về pha 1/3 chu ky øcủa
nó . Để đơn giản ta đóng ngắt theo từng cặp công tắc như (S1,S2) , (S3,S4),
(S5,S6) .Nguyên tắc đóng ngắt theo quy luật trên.

Gọi m
f
là tỉ số điều chế tần số:

21
m

f
=
khiendieusong
mang
f
f
__
=
sin
f
f
giactam−
. ( 3.1)
Việc tăng giá trò m
f
sẽ dẫn đến việc tăng giá trò tần số các sóng hài xuất
hiện .điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng
ngắt lớn .

Tương tự , gọi m
a
là tỉ sốđiều chế biên độ :
m
a
=
mang
khiendieu
U
U
_

=
giactam
U
U
_
sin
. (3.2)
Nếu m
a
≤ 1(biên độ sóng sin nhỏ hơn sóng mang) thì quan hệ gữa biên
độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
đối với bộ nghòch lưu áp 3_pha ,biên độ sóng hài cơ bản:
u
t(1)
= m
a
2
U

(3.3)

Khi giá trò m
a
>1 , biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang
thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính với m
a
. Lúc này , bắt
đầu xuất hiện lương bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn ở phương
pháp sáu bước . trường hợp này còn gọi là phưong pháp quá điều chế hoặc điều
chế mở rộng .

Trong trưòng hợp bộ nghòch lưu áp 3_pha các thành phần sóng hài sẽ
giảm đến cực tiểu nếu giá trò m
f
được chọn bằngsố lẻ bội ba.
Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế , ta thấy phương pháp SPWM
đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng
với biên độ với sóng mang . lúc đó ta có:
m
SPWM-max
=
stepsixm
m
U
U
__)1(
)1(
(3.4)
m
SPWM-max
=
U
U
π
2
2/
=
4
π
= 0.785 . (3.5)
để cải tiến phương pháp độ rộng xung sin ta có phương pháp phương

pháp điều chế độ rông xung sin cải tiến và phương pháp điều chế độ rông
xung tối ưu

22
2-Bộ biến tần sử dụng nguồn dc hay bộ chỉnh lưu hoàn toàn.
Bộ biến tần có chỉnh lưu hoàn toàn có áp 1 chiều phẳng dẫn đến dòng tải
điều hoà. Tuy nhiên dòng tải tạo ra nhỏ do điện áp nhỏ.
- Tín hiệu vào v
a
, v
b
, v
c.
- Tín hiệu điều khiển: v
dk1
, v
dk2
. tín hiệu sóng mang là bằng 2 đơn vò.
- Vc1 và Vc2 là tín hiệu vào của tụ điện vc1 và vdc.
Ta có :
v
ba
= v
b
– v
a .

v
ca
= v

c
– v
a .
v
dk1
= (v
ba
+ v
c1
)/v
dc .
(

3.6

)

v
dk2
= (v
ca


+ v
c1
)/v
dc
.

Sơ đồ sau (hình 3.1) có điện áp dc 400V, tụ C1 ,C2 là 1000uF, tải

R=5Ω ,l=0.01h. tần số 50 hz,sóng mang có tần số 5000hz. Hệ số công suất của tải
cos
ϕ
= 0.847 .



Hình 3.1

23

1 . dạng sóng tín hiệu điều khiển

Hình 3.2
2. tín hiệu vào so với tín hiệu sóng mang .

Hình 3.3

24
3.áp tải trên 3_pha.


Hình 3.4

4.dòng tải trên 3_pha.

Hình 3.5
5.kết luận: Dòng tải có ít sóng hài và rất cân bằng .
3- Bộ biến tần có pha nối vào điểm giữa hai tụ phân áp