luân văn tốt nghiệp bộ biến tần ba pha

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo
Trường Đại Học Cần Thơ

Khoa Công Nghệ Thông Tin
Bộ Môn Viễn Thông-Tự Động Hóa

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề Tài :

BỘ BIẾN TẦN BA PHA

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Giáo viên hướng dẫn :
Ths. ĐOÀN HÒA MINH

Sinh viên thực hiện :
TRẦN MINH TOÀN
MSSV : 1980712
Lớp: Điện Tử K24
1/2003


LỜI CẢM TẠ
-----—–-----

Luận văn tốt nghiệp là một bài học quan trọng và đầy ý nghóa đối với
em. Để hoàn thành được bài học này, em gặp không ít khó khăn và vất vả, có
những lúc phải trùng bước. Nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo và sự giúp đỡ tận tình
của q thầy cô Khoa Công Nghệ Thông Tin và của các bạn trong lớp, cuối

cùng em cũng hoàn thành Luận văn của mình.
Bằng tất cả tấm chân tình của mình, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến :
Thầy ĐOÀN HÒA MINH đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên
em.
Thầy LÊ THÀNH NGHIÊM đã nhận lời phản biện cho em.
Các bạn cùng làm luận văn trong lớp đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực
hiện đề tài.
Trần Minh Toàn.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
-----—–-----

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
-----—–-----

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................


ABSTRACT
-----—–----Nowadays, frequency conversion techniques is applied broadly in real life,
especially in a variety of fields such as auto-controlling, thremo-electricity technic…
Frequency conversion techniques were manufactured and produced with high
power which can go up to millions of watt and the frequency can be adjusted in
wide band from tens of Hz up to thousands of Hz.
The aim of the theris is to learn more deeply about the principle of the
structure of the frequency conversion system and realife an product to illustrate for
the learned theory.
The requirement of the theris is to design and assemple a three-phase
frequency conversion system has some criterias : use directly 220V/50Hz electric
source, power 400VA, frequency can be changed from 10Hz to 200Hz.
The frequency conversion system include exciting pulses transmitting circuit
and power circuit. Specially, we program the micro-controller AT89C51 in order to
create three exciting pulses, each pulse is dephased from another in 1200. In the
power circuit, we use power components which can be turned off by a pulse as BJT.
After researching and fitting up process, I have successfully created a
frequency conversion system with 400VA power, frequency can change from 10Hz
Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
to 200Hz and use 110V AC electric source.
Trầ n Minh Toàn

MỤC LỤC
-----—–-----

Lời nói đầu
Trang
Giới Thiệu Đề Tài ..................................................................... 1
I. Mục tiêu và yêu cầu
1. Mục tiêu
2. Yêu cầu
II. Giới thiệu đề tài

Chương I : Bộ Nghòch Lưu........................................................ 3

I. Giới thiệu Bộ nghòch lưu
II. Bộ Nghòch lưu áp
III. Các phương pháp điều khiển bộ nghòch lưu áp
IV. Bộ nghòch lưu áp với quá trình chuyển mạch phụ thuộc áp nguồn.

Chương II : Bộ Biến Tần ........................................................ 15

I. Giới thiệu
II. Bộ biến tần gián tiếp
1. Tổng quan về bộ biến tần gián tiếp
2. Sơ
đồ biế
n tầ
n mộ
t phaThơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Trung tâm

Học
liệu
ĐH
Cần
a. Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa
b. Sơ đồ dùng hai transistor
c. Sơ đồ cầu một pha
3. Sơ đồ biến tần ba pha

Chương III : THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN BA PHA............... 31
I. Mạch điện:
1. Sơ đồ khối của bộ biến tần
2. Chọn bộ nghòch lưu và phương pháp điều khiển bộ nghòch lưu
4. Sơ đồ chi tiết
a. Mạch tạo xung kích
b. Mạch hiển thò
c. Mạch công suất
d. Sơ đồ khối toàn mạch
II. Chương trình tạo xung kích và điều khiển bộ biến tần
1. Lưu đồ giải thuật
2. Chương trình điều khiển


Chương IV: Kết Quả Đạt Được _ Kiến Nghò ........................ 45
Phụ lục : IC Vi Điều Khiển 8951............................................................ 46
Tài Liệu Tham Khảo

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

LỜI NÓI ĐẦU
-----—–-----

Kỹ thuật biến tần đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là trong các
lónh vực truyền động điện, điều khiển tự động, kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần,….
Các thiết bò biến tần đã được chế tạo và sản xuất với công suất lớn có thể lên
đến hàng Mwatt và tần số có thể điều chỉnh được trong một dải rộng từ vài chục Hz
đến vài KHz.
Trong các giáo trình Điện tử công suất bậc đại học đã trình bày về mặt nguyên
tắc hoạt động các bộ biến tần. Nhưng từ lý thuyết đó để thiết kế và lắp đặt một bộ
biến tần thực tế còn phải gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu sáng
tạo vì các tài liệu về kỹ thuật biến tần hiện nay chưa được phổ biến rộng rãi, nhất là
các thiết bò biến tần ba pha có công suất lớn, có khả năng thay đổi tần số trong một
dãi rộng.
Một khó khăn khác là tìm và chọn linh kiện thích hợp để lắp đặt bộ biến tần
với linh kiện không đồng bộ do mua lẻ trong nước.
Tôi vẫn mong muốn thực hiện đề tài này mặc dù có thể bộ biến tần được lắp
đặt không thật hoàn chỉnh. Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu sâu hơn nguyên tắc cấu
tạo củ
a bộHọc
biến liệu
tần vàĐH
tạo Cần
ra mộtThơ
sản phẩ
minh
họahọc
cho phầ
t đã họ
c, từ

Trung
tâm
@mTài
liệu
tậpn lý
vàthuyế
nghiên
cứu
đó giúp cho sinh viên có đủ kiến thức và kỹ năng để tiếp cận các bộ biến tần thực tế
khi ra trường.
Điều khó khăn nhất trong kỹ thuật biến tần ba pha có lẽ là việc tạo ra xung
điều khiển và kết nối các xung điểu khiển này vào mạch công suất. Khi tìm hiểu
phần lý thuyết tổng quát, tôi quyết đònh chọn loại biến tần gián tiếp dùng nghòch lưu
áp và điều khiển các công tắc (linh kiện công suất) bằng phương pháp biến điệu độ
rộng xung sin. Mạch tạo xung điều khiển được thực hiện bởi một vi điều khiển và có
thể lập trình để phát xung theo ý muốn. Như vậy sẽ thuận tiện và đơn giản hơn lắp
ráp mạch tạo xung dùng kỹ thuật tương tự và linh kiện rời.
Do đây là lần đầu tiên lắp ráp và thiết kế bộ biến tần cho nên sẽ không tránh
khỏi những sai sót và chưa thật hoàn chỉnh. Rất mong được quý thầy cô và các bạn
đóng góp ý kiến để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Cần Thơ, ngày 23 tháng 01 năm 2003.
Trần Minh Toàn.


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
-----—–-----

I.

MỤC TIÊU VÀ YÊU CẦU:

1. Mục tiêu:

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu sâu hơn nguyên tắc cấu tạo của bộ biến tần và
tạo ra một sản phẩm minh họa cho phần lý thuyết đã học, từ đó giúp cho sinh viên
có đủ kiến thức và kỹ năng để tiếp cận các bộ biến tần thực tế khi ra trường.
2. Yêu cầu:
Thiết kế và lắp đặt một bộ biến tần ba pha có các tính năng:
- Sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V/50Hz.
- Công suất 0.5 HP=268V.A
- Tần số của nguồn điện ra có thể thay đổi trong khoảng từ 10Hz đến
200Hz.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
II. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI :

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu sâu hơn về bộ biến tần và tạo ra được sản
phẩm để minh họa cho phần lý thuyết đã được học ở trường, từ đó tôi đã chọn đề tài
này để làm luận văn tốt nghiệp và mong rằng luận văn này sẽ bổ sung phần nào
kiến thức về bộ biến tần và là tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên sau khi đã
được học về bộ biến tần.
Phần quan trọng nhất của bộ biến tần có lẻ là mạch tạo xung kích và mạch
công suất. Ở mạch tạo xung kích ta có thể thiết kế theo dạng tương tự và linh kiện
rời. Nhưng vấn đề ở đây là cần luôn luôn tạo ra được ba xung kích lệch pha nhau
1200 khi ta thay đổi tần số của điện thế ngỏ ra, điều này thì kỹ thuật tương tự không
đáp ứng được vì độ lệch pha của điện thế ngỏ ra luôn luôn thay đổi khi ta thay đổi
tần số. Từ đó, ta chọn mạch tạo xung kích bằng việc lập trình trên vi điều khiển
8951, công việc sẽ trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn. Chương trình điểu khiển sẽ được
đề cập trong phần sau.
Ở mạch công suất ta chọn bộ nghòch theo dạng cưỡng bức, điều này đòi hỏi các
linh kiện bán dẫn phải có tính chất kích ngắt. Do đó, ta chỉ có thể chọn linh kiện

BJT hoặc MOSFET. MOSFET có điểm lợi là dòng kích nhỏ, chòu được công suất
lớn, ổn đònh, tổn hao năng lượng thấp. Nhưng khó khăn ở đây là sự phân cực điện
thế giữa các chân của MOSFET cần phải có sự hổ trợ của các biến áp. Từ đó, ta


thấy việc chọn linh kiện BJT sẽ trở nên thích hợp và tiện lợi hơn bằng cách sử dụng
từng cặp BJT đối xứng bổ túc.
Vấn đề còn lại ở đây là liên kết mạch tạo xung kích và mạch công suất. Ta có
thể chọn Opto, biến thế hoặc nối trực tiếp. Khi chọn Opto thì do ta không tìm được
Opto thích nên khi sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V/50Hz có thể sẽ có dòng rỉ qua
Opto và làm chết các linh kiện công suất. Còn khi chọn biến thế thì điều khó khăn
là việc tạo ra các biến thế sao cho phải giống nhau và các biến thế thì lớn cho nên
việc lắp ráp sẽ trở nên cồng kềnh, không tiện lợi. Từ đó, ta chọn cách nối trực tiếp
mạch tạo xung kích và mạch công suất.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu


Chương I:

BỘ NGHỊCH LƯU
-----—–-----

I.

GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU:

Bộ nghòch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngỏ ra là điện áp hoặc dòng điện. Trong trường

hợp đầu, bộ nghòch lưu được gọi là bộ nghòch lưu áp và trường hợp sau gọi là bộ
nghòch lưu dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghòch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và
nguồn cho bộ nghòch lưu dòng có tính chất nguồn dòng điện. Các bộ nghòch lưu
tương ứng được gọi là bộ nghòch lưu áp nguồn áp và bộ nghòch lưu dòng nguồn dòng
hoặc gọi tắt là bộ nghòch lưu áp và bộ nghòch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngỏ ra không giống
nhau, ví dụ bộ nghòch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một
chiều, ta gọi chúng là bộ nghòch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ
nghòch lưu dòng nguồn áp.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Các bộ nghòch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần.
Ứùng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lónh vực truyền
động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lónh vực tần số cao, bộ
nghòch lưu được dùng để trong các thiết bò lò cảm ứng trung tần, thiết bò hàn trung
tần. Bộ nghòch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình,
làm nguồn điện liên tục UPS. Điều khiển chiếu sáng, bộ nghòch lưu còn được ứng
dụng vào lónh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ
lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển
mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghòch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có
thể điều khiển quá trình ngắt dòng.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất
dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bò ngắt
do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc
vào điện áp mạch tải. Linh kiện bán dẫn khi đó có thể chọn là thyristor thông
thường.

II. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:
Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngỏ ra. Trong
các trường hợp khảo sát dưới đây ta xét bộ nghòch lưu áp với quá trình chuyển mạch
cưỡng bức.
Nguồn điện áp một chiều có thể là acquy, pin điện, điện áp xoay chiều được
chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghòch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng
điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và
vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công
suất lớn có thể sử dụng GTO hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bò một diode mắc đối song với nó,
các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có
chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ
chỉnh lưu cầu diode nhằm tạo điều kiện thuận lợi quá trình trao đổi công suất ảo
giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi
kích ngắt các công tắc.
• Bộ nghòch lưu áp một pha:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Bộ nghòch lưu áp một pha dạng mạch cầu chứa 4 công tắc và 4 diode mắc đối
song (hình 1.a).
S1

D3

S3

S1,S2

D1

S3,S4

ud

L

R

uz

+
D4

+ud

D2

S4

S2

a)

b)

-ud

Hình 1.

Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thò áp tải được vẽ như trên hình 1.b:
Bộ nghòch lưu cũng có thể mắc dưới dạng tia (hình 2).
u

S1

D1

S2

+
-

D2

S1
S2
uz

5

4

u

3

u

2

6

uz

Hình 2.


Mạch gồm hai công tắc và hai diode mắc đối song với chúng. Mạch tải và ngỏ
ra của bộ nghòch lưu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia.
Trong trường hợp không sử dụng máy biến áp cách ly, nguồn điện áp một
chiều cần thiết kế với nút phân thế ở giữa, đây là mạch nghòch lưu áp nửa cầu (hình
3).

ud

ud

S1
+
-

S1

D1

S2

uz

+
-

+ud

uz
S2
D2

-ud
Hình 3.

• Bộ nghòch lưu áp ba pha:
Trong thực tế mạch bộ nghòch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu. Mạch
chứa 6 công tắc S1, S2,…,S6 và 6 diode đối song D1, D2,…,D6.
Tải ba
pha liệu
có thểĐH
mắcCần
ở dạnThơ
g hình@
saoTài
hoặcliệu
tam học
giác. tập và nghiên cứu
Trung tâm
Học
D1

U/2

S1

+
-

u

O

D3

D5

S3

S5

+
D6

U/2

D2

D4

+
-

S4

S6

S2

1

uz1

2
L

3

uz2

L

R

uz3

R

L

R

N

Hình 4.

• Phân tích điện áp ngỏ ra của bộ nghòch lưu áp:
Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:
uZ1 + uZ2 + uZ3 = 0
Ta tưởng tượng nguồn áp U được phân làm hai nửa độ lớn bằng nhau với điểm
nút phân thế O.


Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải uz1, uz2, uz3. Ta có:
uZ1 = u10 – uN0
uZ2 = u20 – uN0
uZ3 = u30 – uN0
Điện áp u10, u20, u30 được gọi là các điện áp pha – tâm nguồn của các pha
1,2,3. Các điện áp uZ1, uZ2, uZ3; u10, u20, u30 và uN0 có chiều dương qui ước vẽ trên
hình 4.
Cộng các hệ thức trên và để ý rằng uZ1+uZ2+uZ3=0, ta có:
0 = u10+u20+u30 – uN0
Từ đó: uN0=(u10+u20+u30)/3
Thay uN0 vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có:
uZ1=(2u10-u20-u30)/3
uZ2=(2u20-u30-u10)/3
uZ3=(2u30-u10-u20)/3
Điện áp dây trên tải:

Trung tâm Học
liệu
ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

u12=u
10-u20
u23=u20-u30
u31=u30-u10
•
Hệ quả: Quá trình điện áp ( và do đó quá trình dòng điện) ngỏ ra của bộ
nghòch lưu áp ba pha sẽ được xác đònh khi ta xác đònh được các điện áp trung gian
u10, u20, u30.
•
Xác đònh điện áp pha – tâm nguồn cho bộ nghòch lưu áp: Cặp công tắc
cùng pha: gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1,S4),
(S3,S6),(S5,S2) là các cặp công tắc cùng pha.
•
Qui tắc kích đóng đối nghòch: cặp công tắc cùng pha được kích đóng
theo qui tắc đối nghòch nếu như hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một được
kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng thái ngắn
mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép.
•
Qui tắc: Giả thiết bộ nghòch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện
thế của các phần tử trong mạch cho như hình vẽ (hình 4). Giả thiết các công tắc
cùng pha được kích đóng theo qui tắc đối nghòch và giả thiết dòng điện của các pha
tải có khả năng đổi dấu.


Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trò +U/2 nếu
công tắc lẻ của pha được kích đóng và –U/2 nếu công tắc chẳn được kích không phụ
thuộc trạng thái dòng điện.
•

Hệ quả:

1/ Điện áp trên tải được xác đònh hoàn toàn nếu ta biết được giản đồ kích
đóng các công tắc và điện áp nguồn. Do đó, ta có thể điều khiển điện áp ngỏ ra của
bộ nghòch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc.
2/ Nếu các cặp công tắc cùng pha không được kích đóng theo qui tắc đối
nghòch, dạng điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham
số tải). Đây là trường hợp kích đóng do ý muốn đối với tải dạng cộng hưởng. Dòng
điện có thể ở trạng thái liên tục hoặc gián đoạn.
Ta cần chú ý rằng, một công tắc được kích đóng không có nghóa là nó sẽ dẫn
điện. Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể xảy ra trường hợp công tắc
kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua diode mắc đối song với công
tắc được kích đóng.
3/ Dạng dòng điện được xác đònh dựa trên phương trình mạch tải. Ví dụ đối với
tải đối xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải
iz1, iz2, iz3.
di
dt
di
uZ2 = Riz2+ L Z 2
dt
di
uZ3 = Riz3+ L Z 3
dt

Z1
uZ1liệu
= Riz1
+ L Cần
Trung tâm Học
ĐH

Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

•
Phân tích điện áp tải của bộ nghòch lưu một pha dạng cầu:
Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghòch lưu áp một pha dạng mạch cầu
tương tự như bộ nghòch lưu áp ba pha. Hai cặp công tắc (S1,S4) và (S2,S3) tương ứng
với hệ thống hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình 5).
D1

U/2

+
-

S1

u

O

D3
S3

+
D2
D4

U/2

+

-

S4

S2

1

uz1

2
L/2

R/2

Hình 5.

uz2

L/2

R/2


u Z u10 − u 20
=
2
2
u Z u 20 − u10
=−

=
2
2

u Z1 =
uZ 2

Rỏ ràng:
uZ=2uZ1= -2uZ2=u10-u20
Nếu các công tắc được kích theo qui tắc đối nghòch, ta có thể xác đònh dạng áp
trên tải dựa trên giản đồ kích đóng công tắc và điện áp nguồn.
U
2
U
=−
2
U
u20 = +
2
U
=−
2

u10 = +

nếu kích S1, ngắt S4
nếu kích S4, ngắt S1
nếu kích S3, ngắt S2
nếu kích S2, ngắt S3

Phân tích điện áp tải của bộ nghòch lưu áp một pha dạng nửa cầu: điện áp
bằng với điện áp pha tải – tâm nguồn, bài toán trở nên đơn giản.
Quá trình điện áp và dòng điện được vẽ trên hình (hình 6):

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
IG1
IG2

Iz

Uz

0

IS1
0

ID1
0

IS3
0

ID3
0

I
0

Hình 6.

III. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:
Các bộ nghòch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng
xung - PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghòch. Qui tắc
kích đóng đối nghòch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích
đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh
hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.
Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ
nghòch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau sau
đây.
1/ Phương pháp điều chế độ rộng xung dạng sin (Sin PWM):
Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghòch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ
bản: sóng điều chế tần số cao và sóng điều khiển dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được
kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng điều chế. Trong trường hợp ngược lại,
công tắc chẳn được kích đóng.
Sóng điều chế có thể ở dạng tam giác. Tần số điều chế càng cao, lượng sóng
hài bậc cao bò khử bớt càng nhiều. Tuy nhiên, tần số cao làm cho tổn hao phát sinh
do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có
Trung
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
thời tâm
gian tHọc
on, toff nhất đònh. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số điều chế.
Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài cơ
bản của điện áp ở ngỏ ra. Trong trường hợp bộ nghòch lưu áp ba pha, ba sóng điều
khiển của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Trong trường
hợp bộ nghòch lưu áp một pha, tương ứng với hai pha tải tưởng tượng ở hình
trên(hình 6), ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau 1/2 chu kỳ (tức chúng
ngược pha nhau). Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều

khiển duy nhất để kích đóng. Ví dụ: cặp công tắc (S1S4), còn cặp (S3S2) được kích
đóng ngược lại. Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).


UP

UDK

0

IG1=IG2
IG3=IG4

UZ
0

Hình 7: Bộ Nghòch Lưu p 1 Pha- Điều Chế Độ Rộng Xung Dạng Sin
2/ Phương pháp điều chế độ rộng xung dạng vuông (Square PWM):
Giản đồ kích đóng các công tắc được thiết lập tương tự như trường hợp điều
chế độ rộng xung dạng sin. Sóng điều khiển có dạng chữ nhật có giá trò không đổi
trong
mỗi Học
nửa chu
kỳ.ĐH
Do dạ
ng sóThơ
ng điề@
u khiể
khônghọc
sin nê

n cá
c só
ng hài bậcứu
c cao
Trung
tâm
liệu
Cần
Tàin liệu
tập
và
nghiên
chứa trong dạng điện áp ở ngỏ ra của bộ nghòch lưu áp có biên độ khá lớn so với
biên độ sóng hài cơ bản. Vì lý do trên, phương pháp điều chế độ rộng xung dạng
vuông rất ít khi được dùng trong thực tiễn.
UP

UDK

0

IG1=IG2
IG3=IG4

Uz

0

Hình 8: Bộ Nghòch Lưu p 1 Pha-Điều Chế Độ Rộng Xung Với Sóng Điều Khiển Dạng

Vuông.


3/ Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM):
nh hưởng của một số sóng hài bậc thấp chứa trong áp ra có thể khử bỏ bằng
phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu. Giản đồ kích đóng các công tắc được
thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích đóng các linh
kiện.
Biên độ các sóng hài có thể xác đònh qua khai triển chuỗi Fourier dạng sóng
áp ra:
U1 = U1(α1,α2,...,αn)
U3 = U3(α1,α2,...,αn)
U2k+1 = U2k+1(α1,α2,...,αn)
Trong trường hợp chọn hàm tối ưu sao cho giản đồ kích đóng khử bỏ (n-1) sóng
hài bậc cao và điều khiển sóng hài cơ bản, hàm tối ưu quan hệ giữa các góc
α1,α2,...,αn được biểu diễn qua hệ n phương trình sau:
u1 = U1(α1,α2,...,αn)
φ = Uk1(α1,α2,...,αn)
φ =liệu
Uk2(α
1,α2,...,α
Trung tâm Học
ĐH
Cầnn) Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
φ = Uk(n-1)(α1,α2,...,αn)
Giải hệ phương trình xác đònh góc kích α1,α2,...,αn ta thiết lập được giản đồ
kích đóng các công tắc.
4/Phương pháp điều khiển theo dòng điện:
Giản đồ kích đóng các công tắc được xác đònh trên cơ sở so sánh dòng điện
yêu cầu của tải và dòng điện thực tế đo được (hình 9).

KHAU HIEU CHINH
iyc
udk
RI
iht

up

MACH KHUECH DAI
& TAO XUNG KICH
3 +

7
6

2 -

4

MACH SO SANH
iz
Hình 9.


Phương pháp điều khiển theo dòng điện có thể thực hiện với tần số đóng ngắt
các công tắc cố đònh. Trên hình vẽ trên (hình 9), độ sai biệt giữa tín hiệu dòng điện
đặt iyc và tín hiệu dòng điện đo được tác động lên khâu hiệu chỉnh dòng điện. Tín
hiệu áp điều khiển ở ngỏ ra của nó được so sánh với tín hiệu sóng điều chế tần số
cao và từ đó tác động lên xung kích cho các công tắc.

iyc

MACH KICH TRE

iht

TAO XUNG KICH
iz
Hình 10.

Trên hình trên (hình 10) trình bày cấu trúc mạch điều khiển bộ nghòch lưu áp
theo dòng điện, sử dụng mạch kích trễ. Dòng điện pha tải sẽ được điều khiển theo
dòng điện yêu cầu với độ sai biệt cho phép thiết lập trong mạch trễ.
Bộ nghòch lưu áp điều khiển theo dòng điện , còn được gọi là bộ nghòch lưu
dòng điện nguồn điện áp, được ứng dụng trong điều khiển truyền động điện xoay
chiều, điều khiển hệ bù công suất phản kháng hoặc làm nguồn cung cấp cho tải với
hệ số
côngHọc
suất cao.
Trung
tâm
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
5/ Phương pháp điều rộng:
Phương pháp điều rộng hay phương pháp điều chế độ rộng xung đơn là trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế độ rộng xung. Trong mỗi nửa chu kỳ áp ra
chỉ có một xung điện áp. Độ lớn điện áp cho tải được điều khiển bằng cách thay đổi
độ rộng xung điện áp. Phương pháp này chỉ áp dụng điều khiển bộ nghòch lưu một
pha. Tác dụng sóng hài bậc cao khá lớn.
6/ Phương pháp điều khiển theo biên dộ:
ψ

0

uz
π

ψ
Hình 11.

2π

+U

-U

Phương pháp gọi tắt là phương pháp điều biên. Khác với các phương pháp
trước đây, phương pháp điều biên đòi hỏi điện áp nguồn điều khiển được. Các công
tắc trong cặp công tắc cùng pha được kích đóng với thời gian bằng nhau và bằng


một nửa chu kỳ áp ra. Mạch điều khiển kích đóng các công tắc trong bộ nghòch lưu
áp vì thế đơn giản.
Bộ nghòch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn được gọi là bộ nghòch lưu
áp 6 bước (six-step voltage inverter).
Tuy nhiên sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp tải khá cao, do đó
hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp điều biên, nhất là ở tần số thấp.
Nếu sử dụng thyristor kết hợp với bộ chuyển mạch làm chức năng công tắc
trong bộ nghòch lưu áp, và nếu bộ chuyển mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn
nguồn áp một chiều. Phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển
điện áp tải trong phạm vi áp nhỏ.

IG1
IG2
IG3
IG4
IG5
IG6
U10
U20

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
U30

IZ1
UZ1

Hình 12: Bộ Nghòch Lưu p 3 Pha Điều Khiển Theo Phương Pháp Điều Biến
(Six Step Inverter) - Tải RL.

IV. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP VỚI QUÁ TRÌNH CHUYỂN MẠCH PHỤ
THUỘC VÀO ÁP NGUỒN:
Các bộ nghòch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức sử dụng thyristor
đòi hỏi bộ chuyển mạch. Tuy nhiên, trong trường hợp tải cộng hưởng, ví dụ RLC nối
tiếp, bộ nghòch lưu áp có thể hoạt động với linh kiện là thyristor và diode mắc đối
song.
Quá trình chuyển mạch của các thyristor phụ thuộc vào điện áp nguồn một
chiều. Điều kiện để mạch hoạt động được với quá trình chuyển mạch phụ thuộc là


tải mang tính dung kháng, dòng điện phải vượt trước pha so với điện áp của tải, một
khoảng thời gian đủ để thyristor vừa bò ngắt khôi phục khả năng khoá của nó.

Tương tự như trường hợp một pha, tải của bộ nghòch ba pha phải mang tính
dung kháng, ví dụ động cơ đồng bộ kích từ dư. Mô hình động cơ ở dạng gồm cuộn
kháng nối tiếp với sức điện động xoay chiều. Giản đồ kích đóng các thyristor và đồ
thò điện áp, dòng điện tải cũng như thyristor được vẽ như trên hình(hình 12). Khi V1,
V2 đang dẫn, việc kích đóng V4 sẽ làm ngắn mạch nguồn điện áp. Dòng điện phải
vượt trước pha so với điện áp tải một thời gian đủ để thyristor khôi phục khả năng
khoá. Từ đồ thò điện áp và dòng điện qua thyristor, ta thấy điện áp gây ra quá trình
chuyển mạch chính là điện áp nguồn một chiều.
i

i
D1

D3

S1

u

iz

+
-

R

L

S1

uc

u

C

uz

R
S4

D1

S3

D4

D3
S3

iz1

+
-

D4
S2

D2

D5
S5

S4

D6

D2

S6

iz1

S2

iz2

iz3

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SM
Hình 13.

Hình 14.


CHƯƠNG II :

BỘ BIẾN TẦN
-----—–-----

I.

GIỚI THIỆU:

Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào
từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có tần số khác ở đầu ra.
Ứng dụng: Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ
xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ
thay đổi thành tần số biến thiên. Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng
số pha. Từ nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể mắc vào tải
động cơ ba pha. Bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện. Bộ
biến tần trong trường hợp này cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng.
PHÂN LOẠI:

Trung

1/ Theo tổng số pha, các bộ biến tần:
a/ Một pha
b/ Ba pha
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài
c/ m pha

liệu học tập và nghiên cứu

2/ Thep cấu trúc mạch điện, các bộ biến tần:
a/ Gián tiếp: (mạch chứa khâu trung gian một chiều), trong đó ta phân biệt
biến tần dùng bộ nghòch lưu áp và biến tần dùng bộ nghòch lưu dòng với quá trình
chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với quá trình chuyển mạch cưỡng bức.
b/ Trực tiếp: (không có mạch trung gian một chiều) còn gọi là

cycloconverter. Bộ biến tần trực tiếp có thể hoạt động.
- Với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài: tín hiệu điều khiển có
dạng hình thang hoặc dạng điều hoà.
- Với quá trình chuyển mạch cưỡng bức (ít gặp).
Trường hợp quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn có thể chia làm hai
trường hợp: trường hợp với dòng điện cân bằng và trường hợp không có dòng điện
cân bằng.
Trong giới hạn của luận văn này ta chỉ đề cập đến bộ biến tần gián tiếp.


III. BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP:
1/ Tổng quan về bộ biến tần gián tiếp:
Cấu tạo của bộ biến tần gián tiếp gồm có bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưu
điện áp xoay chiều với tần số cố đònh ở ngỏ vào và bộ nghòch lưu thực hiện việc
chuyển đổi điện áp (hoặc dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp hoặc dòng xoay chiều
ở ngỏ ra. Bằng cấu trúc như trên, ta có thể điều khiển tần số ra một cách độc lập
không phụ thuộc tần số vào.
Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ vài kW
đến vài trăm kW. Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài
trăm Hz. Công suất tối đa của chúng có thể lên đến vài MW và tần số tối đa khoảng
vài chục kHz (trong kỹ thuật nhiệt điện - lò cao tần).
• Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:
Cấu trúc mạch được vẽ như sau:
id1

id2

f1

f2

Lf

~

Cf

-

ud2

~

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Hình 15.

Lf

f1

Cf

f1

Cf

f2

f2

S

f1

Q4
R0

BCL KEP

BO NGHICH LUU AP

a)

BCL DON

BO NGHICH LUU AP

b)
Hình 16

- Mạch trung gian một chiều: (hình 15) có chứa tụ rất lớn Cf mắc vào ngỏ
vào của bộ nghòch lưu. Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như nguồn
điện áp. Tụ điện cùng với cuộn cảm Lf của mạch trung gian nắn điện áp chỉnh lưu.
Do tác dụng của diode nghòch đảo bộ nghòch lưu, điện áp đặt trên tụ chỉ có thể đạt
các giá trò dương. Tụ điện còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng ảo giữa tải
của bộ nghòch lưu và mạch trung gian bằng cách cho phép dòng id2 thay đổi chiều
nhanh không phụ thuộc vào chiều của dòng id1.
- Bộ nghòch lưu áp: dạng một pha hoặc ba pha. Quá trình chuyển mạch của
bộ nghòch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức. Trong trường hợp đặc

biệt bộ nghòch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình
chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài. Từ đó, ta có hai trường hợp bộ biến tần với quá
trình chuyển mạch độc lập và quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
- Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu một pha hoặc
ba pha. Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha. Nếu như bộ chỉnh lưu một pha và bộ
nghòch lưu ba pha, bộ biến tần thực hiện cả chức năng bộ biến đổi tổng số pha. Khi
áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều ra bộ
chỉnh lưu phải là bộ chỉnh lưu điều khiển. Ngoài ra điện áp ra của bộ nghòch lưu còn
có thể điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực hiện trực tiếp ngay
trên bộ nghòch lưu, trong trường hợp này, bộ chỉnh lưu không cần điều khiển. Nếu ta
thực hiện truyền năng lượng theo hai chiều qua bộ biến tần, bộ biến tần thường
trang bò bộ chỉnh lưu kép(hình 16.b). Phương pháp giải quyết ít tốn kém hơn được
vẽ trên hình sử dụng bộ chỉnh lưu đơn(hình 16.a). Năng lượng do tải trả về tụ mạch
một chiều qua bộ nghòch lưu sẽ được tiêu thụ trên điện trở.
• Bộ biến tần gián tiếp dùng bộ nghòch lưu dòng:
id

f1

~
BO CHINH LUU

Lf

f2

~
BO NGHICH LUU DONG

Hình 17.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần
Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

- Mạch trung gian: chỉ có cuộn cảm Lf. Nhờ nó, mạch trung gian thực hiện
chức năng nguồn dòng điện của bộ nghòch lưu. Dòng điện của mạch trung gian có
chiều không thay đổi. Dòng được cuộn cảm nắn. Cuộn cảm còn thực hiện chức năng
trao đổi năng lượng ảo giữa tải tiêu thụ và mạch trung gian. Cuộn cảm tạo điều kiện
cho quá trình thay đổi chiều của điện áp ud2 xảy ra nhanh chóng, không phụ thuộc
vào điện áp ud1.

- Bộ nghòch lưu dòng: một pha hoặc thường gặp hơn ở dạng ba pha. Tuỳ theo
trường hợp, có thể là bộ nghòch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá
trình chuyển mạch phụ thuộc. Bộ nghòch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ
thuộc về bản chất là bộ chỉnh lưu có quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp
xoay chiều của tải và hoạt động trong chế độ nghòch lưu. Từ đó, ta phân biệt các bộ
biến tần với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển
mạch phụ thuộc.
- Bộ chỉnh lưu: có nhiều dạng, mạch tia, mạch cầu, một pha hoặc ba pha. Khi
cần đòi hỏi phải truyền năng lượng theo hai chiều, ta chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với
điện áp đổi dấu được. Ta thường sử dụng mạch cầu ba pha điều khiển. Điện áp và
dòng điện tải có thể điều khiển bằng phương pháp điều khiển theo biên độ vì thế
các bộ chỉnh lưu không điều khiển không thể dùng được ở đây. Để giảm bớt hiện
tượng quá điện áp trên các chi tiết bán dẫn của bộ nghòch lưu, ta có thể sử dụng bộ
nghòch lưu có chứa mạch tích năng lượng.