NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ BIẾN ĐỔI NHẰM GIẢM HÀI DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-1-

Chuyên ngành tự động hoá

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------***----------------

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ BIẾN ĐỔI NHẰM GIẢM HÀI
DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
Học viên : Phạm Đình Tiệp
Lớp : K12 - TĐH
Chuyên nghành : Tự động hoá
Người hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Duy
Cƣơng
Ngày giao đề tài : tháng 11 năm 2010
Ngày hoàn thành đề tài : tháng 9 năm 2011
BAN GIÁM HIỆU

KHOA SAU ĐẠI HỌC

CB HƢỚNG DẪN

TS. Nguyễn Duy Cƣơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HỌC VIÊN

Phạm Đình Tiệp




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

-2-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của Thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cương và chỉ tham khảo các tài liệu đã được
liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào.

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-3-

Chuyên ngành tự động hoá

M ỤC L ỤC
Trang
Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...…
Lời cam đoan ……………………………………........………………...…… 1
Mục lục …………………………………………….......……………...….....

2

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...……...

4

Danh mục các bảng ……………………………………………..........……...

5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....……… 6
Mở đầu…………………………………………………....….......…...……...

9

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
1.1 Tổng quan……………………………………………………………….

11

1.2. Nhu cầu tăng trƣởng các bộ điều khiển………………………………

11

1.2.1. Sự phát triển của điện tử bán dẫn……………………………………..

12

1.2.2. Nhu cầu tiết kiệm năng lượng…………………………………………

12

1.2.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế xã hội…………………………………

12

1.2.2.2. Phương hướng phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020…………...

12

1.2.2.3. Tổng quan về nhu cầu điện đến năm 2020 của Việt Nam………….

13

1.2.3. Nâng cao hiệu suất các bộ ASD………………………………………. 14

1.3. Nhƣợc điểm của bộ điều khiển………………………………………... 15
1.3.1. Chi phí ban đầu………………………………………………………..

15

1.3.2. Sóng điều hoà…………………………………………………………. 16
1.4. Kết luận………………………………………………………………… 17
Chương 2- CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ SÓNG ĐIỀU HOÀ
2.1. Tổng quan………………………………………………………………

18

2.2. Các bộ chỉnh lƣu……………………………………………………….

19

2.2.1. Bộ chỉnh lưu cầu điốt 3 pha …………………………………………..

20

2.2.2. Bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM…………………………………………

21

2.2.3. Các bộ chỉnh lưu khác………………………………………………… 22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-4-

Chuyên ngành tự động hoá

2.3. Các bộ nghịch lƣu……………………………………………………… 24
2.3.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp……………………………………………….

24

2.3.2. Bộ nghịch lưu nguồn dòng……………………………………………. 24
2.4. Sóng hài trên hệ thống điện…………………………………………… 25
2.4.1. Định nghĩa sóng hài…………………………………………………… 25
2.4.2. Các nguồn tạo sóng hài………………………………………………..

27

2.4.3. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao……………………………………… 29
2.4.4. Sóng hài ba pha………………………………………………………..

30

2.4.5. Chuỗi Furie……………………………………………………………. 32
2.4.6. Chỉ số chất lượng điện năng..................................................................

33

2.4.7. Các tiêu chuẩn về sóng hài....................................................................

34

2.4.8. Các bộ lọc sóng hài……………………………………………………

36

2.4.8.1. Bộ lọc thụ động……………………………………………………..

36

2.4.8.2. Bộ lọc tích cực………………………………………………………

41

2.4.8.3. Bộ lọc hỗn hợp………………………………………………………

45

2.4.8.4. Ngăn ngừa sóng hài…………………………………………………. 36
2.5. Kết luận………………………………………………………………… 46
Chương 3- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XOAY CHIỀU VỚI TẢI PMSM
3.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ………………………………………..

48

3.1.1. Khái quát chung……………………………………………………….

48

3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM)……………… 49
3.2. Mô hình toán học của PMSM…………………………………………. 50
3.2.1. Mô hình toán học của PMSM trong hệ toạ độ Stator…………………. 50
3.2.2. Mô tả toán học của động cơ trong hệ toạ độ qui chiếu (dq)..................

52

3.2.3. Giới thiệu chung về điều khiển Vector………………………………..

53

3.3. Cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động PMSM……………………… 54
3.3.1. Khái quát chung……………………………………………………….

54

3.3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu………………………………..

55

3.3.3. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu………………………………………....

57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-5-

Chuyên ngành tự động hoá

3.3.4. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu………………………………………..

59

3.4. Kết luận………………………………………………………………… 61
Chương 4- MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
4.1. Tổng quan………………………………………………………………

62

4.1.1. Mô hình hoá hệ thống…………………………………………………

62

4.1.2. Tổng quan về Simulink……………………………………………….

62

4.2. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu………………………………………………..

62

4.2.1. Mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu đi ốt 3 pha……………………………….

63

4.2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng bộ chỉnh lưu………………………

64

4.2.3. Các kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu…………………………………..

67

4.3. Mô phỏng hệ thống với tải PMSM……………………………………

68

4.3.1. Xây dựng chương trình mô phỏng…………………………………….

69

4.3.2. Các kết quả mô phỏng hệ thống………………………………………. 72
4.4. Kết luận………………………………………………………………… 75
Kết luận và kiến nghị……………………………………………………….

75

Tài liệu tham khảo………………………………………………………….

77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AC

Dòng điện xoay chiều (viết tắt của Alternating Current)

ASD

Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh được (viết tắt của Adjustable Speed
Drive)

PMSM

Động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (viết tắt của Permanent
Magnet Synchronous Machines)

PWM

Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse-Width Modulated)

THD

Độ méo dạng sóng hài tổng (viết tắt của Total Harmonic Distortion)

IEEE

Viện kỹ sư điện và điện tử (viết tắt của Institute of Electrical and
Electronics Engineers)

IEC

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (viết tắt của International

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-6-

Chuyên ngành tự động hoá

Electrotechnical Commission)
VSI

Bộ nghịch lưu nguồn áp (viết tắt của Voltage Source Inverters)

CSI

Bộ nghịch lưu nguồn dòng (viết tắt của Current Source Inverters)

UPS

Bộ nguồn liên tục (viết tắt của Uninterruptable Power Supplies)

DC

Điện một chiều (viết tắt của Direct Current)

TEHD

Độ méo sóng hài chẵn tổng (viết tắt của Total Even Harmonic

Distortion)

TOHD

Độ méo sóng hài lẻ tổng (viết tắt của Total Odd Harmonic Distortion)

PF

Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)

PCC

Điểm ghép nối chung (viết tắt của Point of Common Couping)

AHF

Bộ lọc sóng hài tích cực (viết tắt của Active Harmonic Filters)

AF

Bộ lọc tích cực (viết tắt của Active Filter)

AFS

Bộ lọc tích cực nối tiếp (viết tắt của Active Filter Series)

UPQC

Bộ xử lý phẩm chất công suất hỗn hợp (viết tắt của Unified Power
Quality Conditioner)

VC

Điều khiển véc tơ (viết tắt của Vector Control)

SPWM

Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung hình sin (viết tắt của Sinusoidal
Pulse Width Modulation)

KCL

Định luật Kirchoff về dòng điện (viết tắt của Kirchoff‟s Current Law)

HP

Mã lực (viết tắt của Horse Power)

IGBT

Insulated-Gate Bipolar Transistors

Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1. Tốc độ tăng trưởng GDP trong giai đoạn 1998 † 2007

12

Bảng 1.2. Kịch bản phát triẻn kinh tế đến năm 2020.

13

Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả dự báo phát triển dân số giai đoạn 2003† 2020 13
Bảng 1.4. Dự báo nhu cầu điện toàn quốc đến 2010

14

Bảng 2.1. Tiêu chuẩn IEEE std 519

34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-7-

Chuyên ngành tự động hoá

Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào

35

mỗi pha.
Bảng 2.3. IEC 1000-3-4

35

Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của PMSM

69

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị
Hình 1.1. Hệ thống ASD điển hình

11

Hình 1.2. Đồ thị tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm 1997 -2006

13

Hình 1.3. Các đặc điểm tải máy bơm điển hình

15

Hình 1.4. Kết cấu giá của các bộ điều khiển

16

Hình 2.1. Qui trình biến đổi năng lượng

18

Hình 2.2. Phân loại các bộ chỉnh lưu

19

Hình 2.3. Cấu trúc bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt

20

Hình 2.4. Dòng qua bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt

20

Hình 2.5. Thành phần sóng hài của cầu Điốt

21

Hình 2.6. Cấu trúc bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM

21

Hình 2.7. Dòng điện vào bộ chỉnh lưu PWM

22

Hình 2.8. Thành phần sóng hài của bộ chỉnh lưu PWM

22

Hình 2.9. Cấu trúc bộ chỉnh lưu Vienna

23

Hình 2.10. Bộ chỉnh lưu Minnesota

23

Hình 2.11. Bộ chỉnh lưu Minnesota biến thể

23

Hình 2.12. Bộ nghịch lưu nguồn áp PWM

24

Hình 2.13. Bộ biến đổi nguồn dòng

25

Hình 2.16. Các dạng sóng hài điển hình

27

Hình 2.17. Hệ thống liên kết bốn dây đấu Y

31

Hình 2.18. Hệ thống liên kết ba dây đấu Y

31

Hình 2.19. Hệ thống liên kết ba dây đấu tam giác

31

Hình 2.20. Độ méo dòng điện trên lưới

33

Hình 2.21. Cấu trúc bộ lọc thu động RC

37

Hình 2.22. Cấu trúc bộ lọc thu động LC

37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-8-

Chuyên ngành tự động hoá

Hình 2.23. Mạch chỉnh lưu AC/DC 12 xung không có bộ lọc

38

Hình 2.24. Dạng dòng và áp của Mạch chỉnh lưu 12 xung không có bộ lọc 39
tại B1 và B2
Hình 2.25. Phổ dòng điện tại B1 khi không có bộ lọc

39

Hình 2.26. Mạch chỉnh lưu AC/DC 12 xung khi có bộ lọc

40

Hình 2.27. Dạng dòng và áp của Mạch chỉnh lưu 12 xung khi có bộ lọc tại 41
B1 và B2
Hình 2.28. Phổ dòng điện tại B1 khi có bộ lọc

41

Hình 2.29. Cấu hình bộ lọc tích cực song song (AF)

42

Hình 2.30. Nguyên lý bộ lọc tích cực song song (AF)

42

Hình 2.31. Cấu hình bộ lọc tích cực nối tiếp (AFs)

44

Hình 2.32. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc nối tiếp AFS

44

Hình 2.33. Thiết bị lọc hỗn hợp

45

Hình 2.34. Sơ đồ cấu trúc UPQC

46

Hình 3.1. Hình dạng bên ngoài PMSM

50

Hình 3.2. Chuyển đổi hệ toạ độ (abc) sang hệ toạ độ (dq)

52

Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển xoay chiều đã đề xuất

54

Hình 3.4. Hoạt động bộ chỉnh lưu khi khóa Q1 đóng

55

Hình 3.5. Hoạt động của bộ chỉnh lưu khi khóa Q1 mở

56

Hình 3.6. Các vùng làm việc của cấu trúc đề xuất

56

Hình 3.7. Đặc tính bộ biến đổi điện áp

58

Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển chỉnh lưu

59

Hình 3.9. Khối điều khiển Qp

59

Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động PMSM

60

Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu đi ốt 3 pha với tải 5HP

63

Hình 4.2. Dạng sóng dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu đi ốt

63

Hình 4.3. Phổ sóng hài dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu đi ốt

64

Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng bộ chỉnh lưu với tải một chiều 15.2A

65

Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu

66

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

-9-

Chuyên ngành tự động hoá

Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối tạo xung PWM

67

Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối đo lường

67

Hình 4.8. Dạng sóng dòng điện qua bộ chỉnh lưu

68

Hình 4.9. Phổ sóng hài dòng điện của bộ chỉnh lưu

68

Hình 4.10. Sơ đồ mô phỏng toàn bộ hệ thống với tải PMSM

70

Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu với tải PMSM

71

Hình 4.12. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển tốc độ và mômen

71

Hình 4.13. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối chuyển đổi ABC thành DQ

72

Hình 4.14. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối chuyển đổi DQ thành ABC

72

Hình 4.15. Dòng điện 3 pha nguồn

73

Hình 4.16. Phổ sóng hài dòng điện nguồn

73

Hình 4.17. Tốc độ động cơ khi khởi động

74

Hình 4.18. Dòng điện Id so với dòng điện mẫu Id* = 0

74

Hình 4.19. Dòng điện Iq với dòng điện mẫu Iq*

75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 10 -

Chuyên ngành tự động hoá

MỞ ĐẦU
Hài dòng điện, điện áp gây ra rất nhiều vấn đề cho hệ thống truyền tải điện.
Nguyên nhân của hài này là do tính chất phi tuyến của phụ tải gây ra. Trên thực tế,
có rất nhiều loại tải gây ra hài, trong đó có các bộ biến đổi điện tử công suất để cung
cấp năng lượng cho động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet

Synchronous Machine) - PMSM. Đây là loại động cơ ngày càng được sử dụng rộng
rãi, do có hiệu suất cao và phương thức điều khiển đơn giản.
Mục đích của luận văn này là nghiên cứu cấu trúc bộ điều khiển tốc độ điều
chỉnh được có thể giảm bớt độ méo dạng sóng hài, đây chính là mối quan tâm lớn
hiện nay trong công nghiệp. Giới hạn cho phép về sóng hài đã và đang là thách thức
cho nhiều công ty chế tạo bộ điều khiển xoay chiều tìm kiếm các giải pháp có tính
kinh tế cao, cho việc điều khiển số lượng sóng hài sinh ra tại điểm ghép nối chung
(PPC) để phù hợp với tiêu chuẩn IEEE-519 và các tiêu chuẩn quốc tế khác về sóng
hài.
Cấu trúc được đề suất trong luận văn sử dụng bộ chỉnh lưu cầu dùng 3 điốt
và 3 IGBT.
Công việc của luận văn này là giải thích lý thuyết điều khiển, thuật toán điều
khiển và phương pháp cải thiện dạng sóng để từ đó đề xuất cấu trúc bộ biến đổi
chỉnh lưu “bán điều khiển”. Sau đó, hệ truyền động điện xoay chiều hoàn chỉnh với
phụ tải là PMSM sẽ được mô hình hoá và đánh giá kết quả bằng phần mềm mô
phỏng SIMULINK.
Cấu trúc bộ biến đổi chỉnh lưu có nhiều ưu điểm hơn bộ biến đổi chỉnh lưu
truyền thống như hình dạng sóng được cải thiện, méo sóng hài tổng (THD) giảm.
Ngoài ra, nó có giá thành thấp hơn đáng kể so với bộ biến đổi điều chế độ rộng
xung (PWM), điều khiển toàn phần truyền thống.
Được sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Nguyễn Duy Cương - Trưởng Khoa
Điện tử Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên
cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu cải tiến bộ biến đổi nhằm giảm hài
dòng điện đối với tải là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 11 -

Kết cấu của luận văn gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về các bộ điều khiển.
Chƣơng 2: Các bộ biến đổi và sóng điều hoà.
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển xoay chiều với tải PMSM.
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống.
Kết luận và kiến nghị.
Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Nguyễn Duy Cƣơng, người đã luôn
quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh
khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và
các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày

tháng 10 năm 2011

Tác giả

Phạm Đình Tiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Lun vn thc s k thut

- 12 -

Chuyờn ngnh t ng hoỏ

Chng 1
TNG QUAN V CC B IU KHIN
1.1 Tng quan
Nhỡn chung, tc v mụ men ca ng c xoay chiu (Alternating Current
- AC) ph thuc vo i lng in c t vo cỏc u dõy ng c. Trc õy,
ng c AC c hot ng trc tip t in ỏp li ti mt in ỏp danh nh
khụng i v tn s khụng i l 50 Hz hoc 60 Hz. im hot ng c nh ny
hn ch hot ng ca ng c v bn cht ng vi mt tc tng ng. thay
i tc , cỏc ng c cn phi c cung cp ngun cú in ỏp v tn s thay i.
iu ny c thc hin thụng qua mt quỏ trỡnh chuyn i nng lng bao gm
cỏc linh kin in t bỏn dn cụng sut v cỏc mch iu khin cú phn hi. H
thng ny gi l b iu khin tc iu chnh c (Adjustable Speed Drive ASD), mt h thng ASD in hỡnh c ch ra nh trong Hỡnh 1.1.

u,f cố định

Bộ xử lý
công suất

u,f thay đổi

Động
cơ

Tải

Nguồn

Bộ
điều khiển

Cảm biến

Đại l-ợng điều khiển
(tốc độ, vị trí, mômen)

Hỡnh 1.1. H thng ASD in hỡnh
1.2. Nhu cu tng trng cỏc b iu khin
Th trng ton cu cho cỏc b iu khin xoay chiu l 10.7 t ụ la trong
nm 2006 v c k vng l tng ti 16.1 t ụ la trong nm 2011 [5]. Cỏc ASD l
rt hp dn t mt s quan im bao gm cht lng, s dng nng lng v gim
chi phớ thng xuyờn. ASD cú kh nng cung cp lng in nng tiờu th cn thit
mt cỏch chớnh xỏc cho ng c in, v do ú nú l im lm vic tt nht phự hp

S húa bi Trung tõm Hc liu HTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 13 -

với phụ tải. Đây là ưu điểm của các bộ ASD vì nó chỉ cho động cơ làm việc với
công suất cần thiết cho phụ tải. Ngoài ra, nó còn có khả năng ổn định do những thay
đổi nhanh về tốc độ hoặc mô men tải.
1.2.1. Sự phát triển của điện tử bán dẫn
Trong nhiều thập kỷ qua, các thiết bị điện tử bán dẫn đã cách mạng hoá quá
trình chuyển đổi năng lượng. Quá trình chuyển đổi năng lượng đã trở nên hiệu quả
hơn, tinh vi hơn và kinh tế hơn so với trước đây. Điều này một phần do sự cải tiến
liên tục máy tính xử lý dòng điện và điện áp của các linh kiện bán dẫn công suất.
Nó cũng là kết quả của cuộc cách mạng trong lĩnh vực vi điện tử, cho phép sử dụng
các bộ điều khiển số tốc độ cao. Sự kết hợp các yếu tố đó, như giảm chi phí, đã sớm
được thừa nhận và sử dụng thịnh hành các bộ điều khiển điện để điều khiển tốc độ
và/hoặc mô men của động cơ điện.
1.2.2. Nhu cầu tiết kiệm năng lƣợng
Thực hiện đường lối đổi mới, nền kinh tế Việt Nam đã đạt được thành tựu
nổi bật, đã đưa nước ta ra khỏi khủng hoảng kinh tế xã hội, tạo tiền đề quan trọng để
bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Chính từ sự phát triển nhanh của
nền kinh tế đã đòi hỏi sử dụng ngày càng nhiều các hệ thống truyền động điện cũng
như năng lượng để cung cấp cho các nhu cầu đó, việc thay thế các hệ truyền động
điện truyền thống bằng các hệ thống ASD sẽ nâng cao hiệu suất điện năng và giảm
áp lực cho hệ thống điện quốc gia.
1.2.2.1 Hiện trạng phát triển kinh tế xã hội
Bảng 1.1. Tốc độ tăng trưởng GDP trong giai đoạn 1998 ÷ 2007
Năm
Tốc độ

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
5,8

4,8

6,8

6,9

7,04

7,24

7,7

7,7

8,17

8,5

tăng GDB
(% năm)
1.2.2.2 Phƣơng hƣớng phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020:
Triển vọng phát triển kinh tế nước ta từ nay đến năm 2020, dựa vào phân tích
tình hình kinh tế trong nước cũng như nhận định về xu hướng phát triển kinh tế toàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 14 -

khu vực, kết hợp các chỉ tiêu kinh tế theo nghị quyết kỳ họp thứ 2 quốc hội khoá
XII và dự báo sơ bộ mới nhất của Viện Chiến Lược Phát Triển- Bộ Kế Hoạch và
Đầu Tư cho thấy nền kinh tế Việt Nam có xu hướng tăng trưởng theo kịch bản Bảng
1-2.
Bảng 1.2. Kịch bản phát triẻn kinh tế đến năm 2020.
Hạng mục
GDB (% năm)

Kịch bản cơ sở

Kịch bản cao

2007÷2010

2011÷2020

2007÷2010

2011÷2020

8,5 ÷ 9,0

9,0 ÷ 9,5

9,0 ÷ 9,5

9,5 ÷ 10,5

Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả dự báo phát triển dân số giai đoạn 2003÷ 2020
Hạng mục Đơn vị

Năm 2003

Năm 2005

Năm 2010

Năm 2020

Dân số

80,76

82,931

88,235

99,906

Triệu người

1.2.2.3. Tổng quan về nhu cầu điện đến năm 2020 của Việt Nam:

Giai đoạn 1997 đến năm 2006 tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm được
biểu thị bằng đồ thị dưới đây.

Hình 1.2. Đồ thị tốc độ tăng trƣởng điện thƣơng phẩm 1997 -2006

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 15 -

Chuyên ngành tự động hoá

Căn cứ vào báo c áo phương án tiến độ nguồn và dự thảo quy ho ạch tổng sơ
đồ phát triển điện lực VI, dự báo nhu cầu cho toàn quốc, các vùng miền được thể
hiện bảng sau:
Bảng 1.4. Dự báo nhu cầu điện toàn quốc đến 2010
Năm

Cả nƣớc
Điện

Điện

TP

SX

Vùng
P(max) Miền Bắc
Điện

(GWh) (GWh)

Miền Tr ung

P(max) Điện

Miền Nam

P(max) Điện

TP

TP

TP

(GWh)

(GWh)

(GWh)

P(max)

1995 11.185

14.636

2.796

4.916

1.415

1.001

296

5.267

1.178

2000 22.297

26.595

4.890

9.023

2.194

2.275

533

11.101 2.246

2005 45.682

53.467

9.512

17.548 3.920

4.583

985

23.551 4.682

2010 93.813

108.83

18.88

36.053 8.105

9.668

2.031

48.093 9.272

( Nguồn: Tổng sơ đồ VI kịch bản cơ sở -Viện Năng Lƣợng)
Theo kết quả dự báo tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm giai đoạn 2006
đến 2010 là 15,5%/ năm.
Theo tổng sơ đồ phát triển điện lực VI kịch bản cơ sở, đến năm 2015 điện
thương phẩm toàn quốc là 150,862 tỷ KWh, Pmax = 29.282 MW, tốc độ tăng
trưởng điện thương phẩm là 9,9 %/ năm. Năm 2020 điện thương phẩm toàn quốc là
240,131 tỷ kWh , Pmax = 45.322 MW tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm là 9,7
%/ năm. Mức gia tăng nhu cầu công suất Pmax giai đoạn 2006÷2010 là 14,7 %/
năm, giai đoạn 2011†2020 là 9,1 %/ năm.
1.2.3. Nâng cao hiệu suất các bộ ASD
Nhiều động cơ điện kiểu mới được ứng dụng yêu cầu rất nghiêm ngặt và các
bộ điều khiển servo điều khiển vị trí chất lượng cao. Bộ điều khiển Servo, một
ngành của ASD, là cần thiết trong các lĩnh vực như rô bốt. Thời gian đáp ứng và độ
chính xác trong loại động cơ mà theo điều khiển vị trí có tính then chốt sẽ không thể
bỏ qua việc sử dụng các bộ điều khiển điện. Thêm nữa bộ điều khiển vị trí động cơ
servo, chất lượng của các bộ điều khiển tốc độ động cơ cũng được cải thiện lớn khi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 16 -

Chuyên ngành tự động hoá

sử dụng bộ điều khiển điện. Trong máy bơm và các ứng dụng máy nén, năng lượng

yêu cầu luôn luôn tỉ lệ với mô men hoặc luỹ thừa 3 của tốc độ. Do đó, một sự giảm
nhỏ tốc độ có thể dẫn tới một sự suy giảm lớn đáng kể trong điện năng yêu cầu.
Điều này được miêu tả trong Hình 1.3 bên dưới. Bằng thực nghiệm đã chỉ ra rằng
sự suy giảm 50% tốc độ (lưu lượng) tương ứng với suy giảm 87.5% công suất đầu
vào. Ngoài ra, có một vài ứng dụng biểu hiện các tải dao động nhanh. Sử dụng
ASD trong các ứng dụng đó cho phép động cơ phản ứng nhanh với sự thay đổi của
tải.

Hình 1.3. Các đặc điểm tải máy bơm điển hình
1.3. Nhƣợc điểm của bộ điều khiển
Với hầu hết các hệ thống đang được sử dụng hiện nay, vẫn tồn tại những
nhược điểm tương ứng. Từ quan điểm của khách hàng, trở ngại lớn nhất để thực
hiện một hệ thống truyền động điện là chi phí ban đầu. Từ quan điểm của các nhà
cung cấp thì một trong những trở ngại lớn nhất đó là kiểm soát lượng sóng hài sinh
ra và bơm vào hệ thống điện nguồn. Cả hai vấn đề đó đang rất có giá trị và là chủ đề
của nhiều nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực này.
1.3.1. Chi phí ban đầu
Như chỉ ra trong Hình 1.4, Để thực hiện một hệ thống ASD cần một lượng
vốn đầu tư ban đầu lớn từ người sử dụng. Như điều luật chung của quy tắc „ngón
tay cái’, giá thành các ASD cơ sở cũng giống như các động cơ họ điều khiển,
nhưng nó phụ thuộc cao vào tính năng và những yêu cầu ứng dụng. Chi phí cho các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 17 -

Chuyên ngành tự động hoá

bộ điều khiển cơ bản bắt đầu từ khoảng 520$ mỗi mã lực (HP) cho một bộ điều
khiển HP và giảm mạnh tới khoảng 160$ mỗi HP cho 10 bộ điều khiển HP. Mức chi
phí cấp ra chậm hơn sau đó với các bộ điều khiển 40 HP vào khoảng 100$ cho mỗi
HP, và bộ điều khiển 500HP giảm xuống khoảng 70$ mỗi HP. Chi phí lắp đặt, bộ
lọc điện, và các tính năng đặc biệt cho mô men không đổi, các điều khiển đặc biệt,
hoặc chuẩn đoán dễ dàng hơn có thể tăng gấp đôi chi phí [6].

Hình 1.4. Kết cấu giá của các bộ điều khiển
Mặc dù chi phí đầu tư lớn nhưng các hệ thống ASD, nhưngchi phí thường
xuyên thấp nên thời gian hoàn vốn nhanh.
1.3.2. Sóng điều hoà
Chất lượng điện năng bao gồm tần số, điện áp. Tần số là thông số mang tính
hệ thống hầu như được giữ ổn định. Một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của điện áp
là thành phần sóng hài. Trước đây thành phần sóng hài không được chú ý đến vì
yêu cầu chất lượng điện chưa cao, mặt khác các thiết bị gây ra sóng hài còn ít. Hiện
nay chất lượng điện yêu cầu cao hơn, các thiết bị điện tử công suất lớn sử dụng
nhiều, dẫn tới tăng tỷ lệ sóng điều hòa so với sóng cơ bản.
Các thiết bị sử dụng điện hoạt động tốt nhất nếu chất lượng điện đảm bảo.
Tần số là thông số của hệ thống, ở mọi điểm là như nhau và được giữ ổn định. Điện
áp là thông số có tính cục bộ, điện áp bị sụt giảm trên đường dây và các phần tử của
lưới điện dẫn tới các phụ tải điện làm việc không bình thường.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 18 -

Chuyên ngành tự động hoá

Sóng điều hòa sinh ra do trên lưới điện tồn tại các phần tử phi tuyến, gây ra
các bất lợi như: gây méo tín hiệu sin của lưới điện, làm giảm hệ số công suất, tăng
tổn thất, giảm độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm chất lượng điện năng.... Nên việc
đưa ra các tiêu chuẩn để áp đặt những giới hạn cho phép đối với các sóng hài tạo ra
từ các bộ điều khiển điện và các bộ chuyển đổi năng lượng khác là cần thiết.
1.4. Kết luận
Việc sử dụng các bộ điều khiển để điều khiển động cơ điện đang tăng nhanh
và thị trường ASD rất phát triển. Các ASD ngày càng trở lên phức tạp hơn, hiệu quả
hơn và hoạt động tin cậy hơn. Trong nhiều trường hợp, động cơ không làm việc ở
một tốc độ cố định mà yêu cầu thay đổi tốc độ, do đó cần sử dụng ASD. Tuy nhiên,
việc sử dụng các ASD vẫn còn có những hạn chế như phát sinh ra các sóng hài, điều
đó cần phải được khắc phục. Mục đích của luận văn này là nghiên cứu một cấu trúc
ASD có thể giảm bớt độ méo dạng sóng hài sinh ra.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 19 -

Chuyên ngành tự động hoá

Chƣơng 2
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ SÓNG ĐIỀU HOÀ
Trong chương này, tác giả sẽ trình bày một cách tổng quan về các bộ biến
đổi truyền thống. Trước tiên Cấu trúc các bộ biến đổi truyền thống sẽ được trình
bày ở mức độ hệ thống. Sau đó, sẽ nghiên cứu chi tiết hơn về từng giai đoạn chuyển
đổi năng lượng. Tập trung vào chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu. Tiếp theo,
đưa ra một cái nhìn tổng quan về phụ tải động cơ điển hình, với trọng tâm là máy
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM. Cuối cùng, các sóng hài trên hệ thống
điện sẽ được giới thiệu vì nó ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế
các hệ thống truyền động điện xoay chiều.
2.1. Tổng quan
Như đã nêu, đối tượng của một bộ điều khiển xoay chiều là biến đổi khối
lượng điện ổn định thành nguồn cung cấp có thể thay đổi được, nhưng vẫn có thể
điều khiển được khối lượng điện. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như bộ điều
khiển xoay chiều tái sinh, nó thật sự cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng
theo hướng ngược lại. Nghĩa là, chuyển đổi chúng về dạng sóng cố định và trả về
lưới điện. Để thực hiện quá trình chuyển đổi này, năng lượng điện phải đi qua 3 giai
đoạn: Chỉnh lưu, lưu giữ và nghịch lưu. Hình 2.1 chỉ ra quá trình này cho bộ điều
khiển xoay chiều không tái sinh. Đối với bộ điều khiển xoay chiều tái sinh, quá
trình biến đổi năng lượng chỉ ra trong Hình 2.1 có thể diễn ra theo chiều ngược lại.
NghÞch l-u

ChØnh l-u

Nguån

§éng
c¬

Kh©u
l-u gi÷

Hình 2.1 Qui trình biến đổi năng lƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 20 -

Chuyên ngành tự động hoá

Giai đoạn chỉnh lưu sử dụng các thiết bị bán dẫn để chuyển đổi biên độ cố
định, tần số xoay chiều cố định từ nguồn cung cấp thành dạng sóng một chiều gần
như không đổi, Sau khi chỉnh lưu, năng lượng này được lưu giữ qua một khâu trung
gian, khâu lưu giữ này có thể là tụ điện hoặc cuộn cảm. Giai đoạn cuối lại sử dụng
các thiết bị bán dẫn để chuyển đổi năng lượng được lưu giữ thành một hình dạng
phù hợp với luật điều khiển của động cơ. Mỗi giai đoạn của quá trình chuyển đổi
năng lượng sẽ được đề cập chi tiết hơn trong phần sau. Đã có rất nhiều nghiên cứu
tập trung vào từng giai đoạn và luận văn này tập trung chủ yếu vào giai đoạn chỉnh
lưu.
2.2. Bộ chỉnh lƣu
Bộ biến đổi chỉnh lưu là giai đoạn đầu tiên của quá trình xử lý năng lượng
trong các bộ điều khiển xoay chiều. Mỗi một cấu trúc chỉnh lưu đều có những ưu
điểm và nhược điểm riêng. Việc chọn bộ biến đổi là một phần quan trọng trong hệ
thống điều khiển xoay chiều vì nó là khâu đầu tiên trong bộ điều khiển và được mắc

với nguồn 3 pha hình sin. Do đó, khi thiết kế bộ điều khiển phải xét đến chất lượng
điện năng đầu vào bộ chỉnh lưu. Tất cả các bộ chỉnh lưu có thể được phân thành loại
tái sinh hoặc không tái sinh. Điều này được miêu tả như trong Hình 2.2. Cấu trúc bộ
chỉnh lưu được sử dụng thông thường nhất là các bộ chỉnh lưu đi ốt và các bộ chỉnh
lưu nguồn áp PWM.
Bộ chỉnh lưu

Tái sinh

Không tái sinh

- Đa xung (Đi ốt)
- Đa xung (Thyristor)
- Vienna
- Các bộ biến đổi khác

- Bộ chỉnh lưu nguồn áp
- Bộ chỉnh lưu nguồn dòng

Hình 2.2 Phân loại các bộ chỉnh lƣu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 21 -

Chuyên ngành tự động hoá

2.2.1. Bộ chỉnh lƣu cầu điốt 3 pha
Các bộ chỉnh lưu điển hình không có khả năng tái sinh sử dụng bộ chỉnh lưu
điốt 3 pha, hoặc bộ chỉnh lưu “6 xung” để chuyển đổi giá trị điện áp xoay chiều
thành điện áp 1 chiều (như trên Hình 2.3). Việc sử dụng các bộ chuyển đổi để loại
bỏ sự quá điều khiển với điện áp 1 chiều và thường cho kết quả dạng sóng có độ
méo dạng sóng hài tổng (THD) quá cao (chỉ ra trên Hình 2.4 và Hình 2.5). THD có
thể được cải thiện bằng cách tăng lượng điện cảm đầu vào. Tuy nhiên, điều này làm
cho hệ thống phản ứng chậm lại đáng kể. Mặc dù có những hạn chế nhất định, song
nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mà không đòi hỏi khả năng tái
sinh vì nó có cấu trúc đơn giản, không cần điều khiển và có giá thành thấp.
id
+
D1
Vs

D3

D5

Ls
ia
Cd

D4

D6

D2

Vd T¶i

-

Hình 2.3. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu hình cầu sử dụng Điốt

Hình 2.4. Dòng qua bộ chỉnh lƣu hình cầu sử dụng Điốt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 22 -

Chuyên ngành tự động hoá

Hình 2.5. Thành phần sóng hài của cầu Điốt
2.2.2. Bộ chỉnh lƣu nguồn áp PWM
Bộ chỉnh lưu với khả năng tái sinh điển hình là bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM. Cấu
trúc của bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM được chỉ ra như trên Hình 2.6.
id
+
Vs

Ls

Cd

Vd T¶i

-

Hình 2.6. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu nguồn áp PWM
Bộ chuyển đổi này có giá thành tương đối cao, song nó có một số ưu điểm hơn so
với bộ chỉnh lưu không có điều khiển. Bộ chỉnh lưu này có thể điều chỉnh được điện
áp và duy trì một hệ số công suất tối ưu cho cả hai chiều phát và nhận. Ngoài ra, các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 23 -

Chuyên ngành tự động hoá

dòng điện 3 pha có thể được định hình để giảm thiểu độ méo sóng hài theo tiêu
chuẩn IEEE-519, được chỉ ra như trên Hình 2.7 và 2.8.

Hình 2.7. Dòng điện vào bộ chỉnh lƣu PWM

Hình 2.8. Thành phần sóng hài của bộ chỉnh lƣu PWM
2.2.3. Các bộ chỉnh lƣu khác
Ngoài các bộ chỉnh lưu có cấu trúc điển hình như trên, còn có một vài sơ đồ

khác như bộ chỉnh lưu Vienna được chỉ ra trên Hình 2.9 và bộ chỉnh lưu Minnesota
được chỉ ra trên Hình 2.10. Bộ chỉnh lưu Minnesota biến thể do Ashida phát triển
được chỉ ra trên Hình 2.11.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hoá

- 24 -

+
Cd
Vd T¶i
Cd
Vs

Ls
-

Hình 2.9. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu Vienna
LP
D1

D3

DP
+

iP

D5

Vs
CP

S1
ia

Vd T¶i
S2
injection
Network

D4

D6

D2

CQ

iQ

ih

-

LQ

DQ

Hình 2.10. Bộ chỉnh lƣu Minnesota
Ld
D1

D3

D5

id

+
Lf

Vs
S1

ia

Cd
Vd T¶i

S2
injection
Network

D4

D6

D2

Cf

Lf
-

ih

Hình 2.11. Bộ chỉnh lƣu Minnesota biến thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

- 25 -

Chuyên ngành tự động hoá

Các bộ chỉnh lưu này dạng sóng đã cải thiện được đáng kể so với bộ chỉnh
lưu sử dụng Điốt. Với các thành phần hoạt động ít hơn và có giá tương đối thấp. Nó
cũng có thể điều khiển được hệ số công suất. Tuy nhiên, vẫn còn một số vàn đề cần

quan tâm như bù độ lớn điện áp.
2.3. Các bộ nghịch lƣu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ là chuyển đổi điện áp một chiều đã được chỉnh
lưu thành dạng sóng xoay chiều mà biên độ và tần số có thể thay đổi được để thích
hợp nhất với điểm làm việc của động cơ điện. Có hai kiểu bộ nghịch lưu chính được
sử dụng trong công nghiệp đó là: Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) và bộ nghịch lưu
nguồn dòng (CSI). Miêu tả tổng quát mỗi dạng sẽ được trình bày trong các mục sau.
2.3.1. Bộ nghịch lƣu nguồn áp
Bộ nghịch lưu nguồn áp được chỉ ra trên Hình 2.12. Chúng thường được sử
dụng để cung cấp cho các động sơ công suất nhỏ và trung bình. Đầu vào bộ nghịch
lưu là điện áp một chiều, nên được gọi là bộ nghịch lưu nguồn áp. Sự chuyển mạch
trong VSI hoạt động ở tần số cao hơn nhiều so với tần số cơ bản mà nó tạo ra. Do
đó, sóng hài sinh ra thường rất nhỏ.
+Vdc

S1

S3

S5

M

Cd

S2

S4

S6

-Vdc

Hình 2.12. Bộ nghịch lƣu nguồn áp PWM
2.3.2. Bộ nghịch lƣu nguồn dòng
Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất
lớn. Các bộ nghịch lưu nguồn dòng yêu cầu sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển để
tạo ra dòng điện 1 chiều (xem Hình 2.13). Dòng điện 1 chiều được sử dụng như

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN