Bài giảng điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện động cơ điện điều khiển bộ biến tần ths trần công binh

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

Bài giảng:

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

Biên soạn: ThS. Trần Công Binh

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2014


(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Tên môn học:

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ- ĐIỀU
KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN / BỘ BIẾN TẦN
Mã số:
Phân phối giờ:
Số tín chỉ: 2(2.1.5)
Bài tập: 30%
Kiểm tra: 20%,
Thi: 50%
Môn tiên quyết:
Môn song hành:
Giáo trình chính:
Tài liệu tham khảo:
[1] Trần Công Binh, “Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng DSP
TMS320LF2407A”, 11/2004.
[2] Emil Levi, High Performance Drive, Liverpool John Moores
Univerity, 2002.
[3] Slobodan N.Vukosavic, “Digital Control of Electrical Drives”, Springer
2007.
[4] Bimal K.Bose, “Power Electronics and Motor Drivers”, Elsevier 2006.

Tóm tắc nội dung:
 Phần Tiếng Việt:
 Summary: Electrical Engineering
10. Đối tượng học: Sinh viên ngành Điện Năng, Hệ thống năng lượng, Kỹ thuật
điện – điện tử.
9.

07/01/2014

2

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

CHƢƠNG TRÌNH MÔN HỌC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN
Chương 1:
Bộ nghịch lƣu ba pha và Vector không gian
 Vector không gian.
 Bộ nghịch lưu ba pha.

(4T)

Chương 2:
Hệ qui chiếu quay
 Hệ qui chiếu quay.
 Chuyển đổi hệ toạ độ abc    dq (Biến đổi Park).

(2T)

Chương 3:
Mô hình ĐCKĐB 3 pha (), (dq)
 Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
 Mô hình động cơ trong HTĐ stator ().
 Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (r).

(9T)

Chương 4:
Điều khiển định hƣớng từ thông (FOC) ĐCKĐB
 Điều khiển PID
 Các phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar Control).
 Điều khiển độc lập moment và từ thông.
 Điều khiển tiếp dòng.
 Điều khiển tiếp áp.
 Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp.
 Tính toán thiết kế bộ điều khiển FOC.
 Mô phỏng điều khiển FOC.

(12T)

Chương 5:
Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông rotor
 Từ m và ia, ib hồi tiếp.
 Từ us và ia, ib hồi tiếp.
 Từ  và ia, ib hồi tiếp.
 Ước lượng vị trí (góc) vector r.
 Ước lượng (r) trong HTĐ dq.
 Ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)
 Đáp ứng mô phỏng FOC.

(3T)

Chương 6:
Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
 Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.
 Điều khiển dòng trong HQC (dq).

(?T)

Chương 7:
Các phƣơng pháp điều khiển dòng
 Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.
 Điều khiển dòng trong HQC (dq).

(3T)

Chương 8:
Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ
 Ước lượng vận tốc vòng hở (2 pp).
 Ước lượng vận tốc vòng kín (có hồi tiếp).
 Điều khiển không dùng cảm biến (sensorless).

(3T)

Chương 9:
Bộ biến tần
 Cấu trúc một hệ thống điều khiển động cơ.
 Cảm biến đo lường
 Một số ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ
 Hệ thống điều khiển số động cơ không đồng bộ ba pha
 Bộ biến tần

(6T)

(42 tiết)

07/01/2014

3


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Chương 1: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ
BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA
I. Vector không gian
I.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số
của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:
usb

Pha B

stator
usa

Pha A

usc

Pha C

rotor

Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.

(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)

B

A
N

C

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu,
biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0

(1.1)

usa(t) = |us| cos(st)
usb(t) = |us| cos(st – 1200)
usc(t) = |us| cos(st + 1200)

(1.2a)
(1.2b)
(1.2c)

Trong đó:

Với s = 2fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi.
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.1

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB
(điện áp pha là các số thực)

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:






2 
u s ( t )  u sa ( t )  u sb ( t )  u sc ( t )
3

0
0
0

2
u s ( t )  u sa ( t )e j0  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240
3





(1.3)



(mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị)


2
us (t )  usa (t )  usb (t )e j120  usc (t )e j 240 (1.4)
3
(tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị)
0

2
u s ( t )  u sa ( t )  a.u sb ( t )  a 2 .u sc ( t )
với a  e j120
3
1  a  a 2   e j00  e j1200  e j2400  0
0

0









Ví dụ 1.1: Chứng minh?


js t
 us s t   us coss t   jsins t 
a) us ( t )  us e

(1.6)

 3
2 
3  

ubs 
ucs 
b) u s   u as  0,5ubs  0,5ucs   j 

3
2
2



(1.5)




2 
u s ( t )  u sa ( t )  u sb ( t )  u sc ( t )
3

Im


usc
s

B

usa
A
C

Re



usb

Hình 1.2: Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ .
Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp

stator u s lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dòng
điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector
không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên.
I.2. Hệ tọa độ cố định stator
Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.2

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

st. Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector không gian (điện áp stator) có thể
được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của vector. Hệ tọa
độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ .

j
Cuộn dây
pha B

usc

us

Cuộn dây
pha A

usb
0



usa = us

Cuộn dây
pha C


Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator u s và các điện áp pha.





0
0

2
us ( t )  usa ( t )  usb ( t )e j120  usc ( t )e j240  us  ju s
3
Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator
u s , u s  lên trục pha A, B (trên hình 1.3), có thể xác định các thành phần theo phương
pháp hình học:

usa = us

(1.7a)

usb =

(1.7b)

us = usa

(1.8a)

suy ra

us =

(1.8b)

Theo phương trình (1.1), và dựa trên hình 1.3 thì chỉ cần xác định hai trong số ba điện áp

pha stator là có thể tính được vector u s .
Hay từ phương trình (1.5)
 3

2
3
u s   u as  0,5u bs  0,5u cs   j
u bs 
u cs  

3 
2
 2


(1.9)

có thể xác định ma trận chuyển đổi abc  αβ theo phương pháp đại số:

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.3

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)
1
1  u 

as
1


u  2 
2
2  
 u bs 
 s  
3
u
3
3

 
 s 

u
0
2
2   cs 
Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ  abc?



1
0 
u as  
 s
   1
3  u s 
 
u bs   
2  u ss 
u   2

 cs   1
3 

 2
2 
s
s

TB

(1.10)

(1.11)

Ví dụ 1.3: Chứng minh:

Bằng cách tương tự như đối với vector không gian điện áp stator, các vector không
gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể được
biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) như sau:

= us + j us

(1.12a)

= is + j is

(1.12b)

= ir + j ir

(1.12c)
(1.12d)
(1.12e)

II. Bộ nghịch lưu ba pha
II.1. Bộ nghịch lưu ba pha

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.4


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
U dc _ tb 

2 2 U phase_ RMS



Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
U dc _ tb 

3 3 2U phase_ RMS



Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp
DC trung bình của:
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.5


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

_ Biến tần ngõ vào 1 pha : U dc  2U phase_ RMS
_ Biến tần ngõ vào 3 pha : U dc  2U line_ RMS  2 3U phase_ RMS .

R

S1

S3

A

Udc

S7

S5

motor

B

S2

C

S4

n

N

S6

n

Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1S6.
Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?
1

U Nn  U An  U Bn  U Cn 
a)
3
2
1
1
U AN  U An  U Bn  U Cn
b)
3
3
3
Phương pháp tính mạch điện:
Ví dụ 1.5: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF?
A

B

UAN

UBN

N

Udc

UCN
n

C

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.6


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Hình 1.5: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).
II.2. Vector không gian điện áp
Đơn vị (Udc)
Va Vb Vc
usa
usb
usc
uab ubc uca
U
Deg
us
k
S1 S3 S5
UAN
UBN
UCN UAB UBC UCA
us
us
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
U0
U000
1
1
0
0
2/3
-1/3
-1/3
1
0
-1
U1
0o
2
1
1
0
1/3
1/3
-2/3
0
1

-1
U2
60 o
3
0
1
0
-1/3
2/3
-1/3
-1
1
0
U3
120 o
4
0
1
1
-2/3
1/3
1/3
-1
0
1
U4
180 o
5
0
0

1
-1/3
-1/3
2/3
0
-1
1
U5
240 o
6
1
0
1
1/3
-2/3
1/3
1
-1
0
U6
300 o
7
1
1
1
0
0
0
0
0

0
U7
U111
Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu.
Ví dụ 1.6: Tính các điện áp thành phần us và us tương ứng với 8 trạng thái trong
bảng 1.1?

 Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha
Ví dụ 1.7: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:
Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc.
Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4):





0
0
0
0 

2
2 1
1
2
u phase_ 2  u sa ( t )  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240   Udc  Udce j120  Udce j240 
3
3 3
3
3









0
0
0
0
0
0
0

2 Udc
2
2
2
1  e j120  e j240  3e j240   Udce j240  Udce j240 e j180  Udce j60 ,
 u phase_ 2 
3 3
3
3
3

Hay






2
2 1
1
2

u phase_ 2  u sa ( t )  a.u sb ( t )  a 2 .u sc ( t )   Udc  a.Udc  a 2 .Udc 
3
3 3
3
3

với a  e j120 , 1  a  a 2   0
0









0
0

2 Udc

2
2
2
u phase_ 2 
1  a  a 2  3a 2   Udca 2   Udce j240  Udce j60
3 3
3
3
3

Phương pháp hình học: có hình vẽ

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.7


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

B

U2(110)

Udc
A

C


Hình 1.6: Vector không gian điện áp stator u s ứng với trạng thái (110).

Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha u phase_ 1 có độ lớn bằng
2/3Udc và có góc pha là 60o.

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator u s ( t ) ứng

với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp
hình học)
 Xét tương tự cho các trang thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát

j( k 1)
2
3
U k  U dc e
với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.
3
U3 (010)

U2 (110)
CCW

U0 (000)
U4 (011)

U1 (100)
U7 (111)
CW
U5 (001)

U6 (101)

Hình 1.7: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.8


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB



j( k 1)
2
3
U k  U dc e
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.
3
Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator.

Up3

U0 và U7 là vector 0.

Up2
b

Up0

Up1

a

Up4

Trục usa

Up7
c
Up5

Up6

Hình 1.8: Các vector không gian điện áp pha stator.


j( k 1)
2
3
U phase_ k  U dc e
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.
3
Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ
dàng điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng
điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step).

Hình 1.9: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.
Ví dụ 1.9: Chứng minh u phase_ 1 

0
2
Udce j0
3

Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:
Khi đó các điện áp pha usa=2/3Udc, usb= –1/3Udc, usc=-1/3Udc.


Phương pháp đại số: theo phương trình (1.3): u s (t ) 
hay phương trình (1.4):



2 
u sa (t )  u sb (t )  u sc (t )
3



0
0
0
0 

2
2 2

1
1
u phase_1  u sa ( t )  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240   U dc  U dce j120  U dce j240 
3
3 3
3
3


Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.9


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

 



0
0
0

2 U dc
2
2
u phase_1 

3  1  e j120  e j240  U dc  U dce j0 ,
3 3
3
3


Hay






2
2 2
1
1

u phase_1  u sa ( t )  a.u sb ( t )  a 2 .u sc ( t )   U dc  a.U dc  a 2 .U dc 
3
3 3
3
3

với a  e j120 , 1  a  a 2   0
0



 



0

2 U dc
2
2
u phase_1 
3  1  a  a 2  U dc  U dce j0
3 3
3
3

Phương pháp hình học: có hình vẽ
B

2/3Udc

A

U1(100)

C


Vector không gian điện áp stator u s ứng với trạng thái (100).

Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp pha stator u phase_ 0 có độ lớn bằng
2/3Udc và có góc pha trùng với trục pha A.

Hình 1.10:

hay
hay

 Trong một số trường hợp, cần xét vector không gian điện áp dây của stator.



2 
u line  u ab ( t )  u bc ( t )  u ca ( t )
3
0
0

2
u line  u ab ( t )  u bc ( t )e j120  u ca ( t )e j240
3
0

2
u line  u ab ( t )  a.u ba ( t )  a 2 .u ca ( t )
với a  e j120
3









Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:
Khi đó các điện áp pha uab=Udc, ubc= 0, uca= -Udc.
Phương pháp đại số: theo phương trình trên:
Ví dụ 1.10:



 

0
0
0

2
2
u line_1  u ab ( t )  u bc ( t )e j120  u ca ( t )e j240  U dc  U dce j240
3
3











 1
0
0

2
2
2
3 

u line_1  U dc  U dce j240  U dc 1  e j60  U dc 1    j

3
3
3
2
2

 
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.10


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

3

 3
0

2
3 2
1 2
u line_1  U dc   j  
3U dc 
 j  
3U dce j30
3
2  3
2 3
2
 2
Phương pháp hình học: có hình vẽ:
BC

2/3Udc

Uline_1

AB

CA


Vector không gian điện áp dây stator u line _ 1 ứng với trạng thái (100).

Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp dây stator u line _ 1 có độ lớn bằng

Hình 1.11:

2
3U dc và có góc pha là 30o.
3
Ví dụ 1.11:


Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator u line ứng với


trạng thái (110), u line _ 2 ? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)

 Xét tương tự cho các trạng thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát

j( 2 k 1)
2
6
U line _ k 
3U dc e
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6
3
Ud2

Ud3

Ud1
Ud0
Trục uab

Ud7

Ud4

Ud6

Ud5

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.11


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)
Các vector không gian điện áp dây stator.

Hình 1.12:
Ví dụ 1.12:
a/ v 6 pha

TB

Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:
5
5
j
j
2
2

 VDC e 3
3VDC e 6
b/ v3 day 
3
3

 Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha
U3 (010)

U2 (110)
CCW
T2

U0 (000)
U4 (011)
U7 (111)

us


T1

U1 (100)

CW
U5 (001)

Hình 1.13:

U6 (101)

Điều chế biên độ và góc vector không
gian điện áp.

Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong
U dc
vòng tròn nội tuyến của lục giác: u s 
3

us 

T
T1
T
U1  2 U 2  0 U 0 ( U 7 )
TPWM
TPWM
TPWM

hay u s  a.U1  b.U 2  c.U 0 (U 7 )

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.12


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

U2 (110)
T2

us

U0 (000)



T1

U7 (111)

a 3


us

sin(   )
Udc
3

T1 = a.TPWM

b 3

U1 (100)

us
sin  

Udc

T2 = b.TPWM

với chu kỳ điều rộng xung: TPWM  (T1 + T2) + T0

c  1 – (a+b)
T0 = c.TPWM
hay T0  TPWM – (T1 + T2)
với TPWM  const

Tổng quát: us =a.Ux + b.Ux+60 + c.{U0, U7}

Trong đó,  là góc giữa vector Ux và vector điện áp us.
 2U dc 
 a  b   2U dc





c

a

b
Có thể tính theo: a  b  c  
hay
 3
 3 u  1

u
s
 s 


Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu
thông qua T1, T2 và T0, dễ dàng điều khiển độ lớn và tốc độ quay của vector không gian
điện áp. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng PWM sin.

Ví dụ 1.13:

Chứng minh u s e

j



j
2
2

 T1  U dc   T2  U dce 6
3

3

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha







I.13


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Hình 1.14:

TB

Điều chế biên độ và tần số điện áp.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.14


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Hình 1.15:

TB

Dạng điện áp và dòng điện PWM sin.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.15

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB
4

j
2
Bài tập 1.1. Chứng minh: u phase_ 5  U dce 3
3
7
j
2
3U dce 6
Bài tập 1.2. Chứng minh: u line_ 4 
3
Bài tập 1.3. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc?
Từ đó tính us , us, |us| theo định nghĩa vector không gian?
Biết góc pha ban đầu của pha A là o = 0.
Bài tập 1.4. Lưới điện 3 pha 4 dây 380V. Tính Udc trung bình, Us max (trong vòng tròn nội
tiếp), Upha, Udây của biến tần:
a. 1 pha.
b. 3 pha.
Bài tập 1.5. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Tính điện áp pha lớn
nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ nối Y.
Bài tập 1.6. Điện áp một pha cấp cho bộ nghịch lưu là 220V, 50Hz. Tính điện áp dây lớn
nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ.
Bài tập 1.7. Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào). Được cấp nguồn 3 pha
380V, 50Hz.

a) Tụ lọc khá nhỏ:
_ Tính điện áp trung bình trên DC Link?
_ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)?
_ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất?
_ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất?
b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a).
Bài tập 1.8. Tính lại câu trên với biến tần 1 pha 220V (ngõ vào).
Bài tập 1.9. Bộ biến tần như hình vẽ trên được cấp điện 3 pha có điện áp dây 380V,

50Hz. Giả sử tụ C1 cuộn dây L1 rất nhỏ.
a. Tính giá trị điện áp một chiều trung bình Udc_tb trên ngõ ra của bộ chỉnh
lưu?
b. Tính trị hiệu dụng của điện áp dây UdRMS lớn nhất mà biến tần trên có thể

cấp cho động cơ 3 pha nối Y (khi chưa quá điều chế, u s như hình vẽ
trên)?
Bài tập 1.10. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Điện áp pha bộ
nghịch lưu cấp cho đồng cơ là 150V và 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính T1,
T2 và T0? Biết góc pha ban đầu o = 0 và tần số điều rộng xung là 20KHz.
Bài tập 1.11. Lập bảng và vẽ giản đồ vector các điện áp dây thành phần tương ứng với 8
trạng thái của bộ nghịch lưu.
Bài tập 1.12. Nêu các chức năng của khoá S7 và các diode ngược (mắc song song

với các khoá đóng cắt S1 –S6) trong bộ nghịch lưu?
Bài tập 1.13. Cho Udc = 309V, trạng thái các khoá như sau: S2, S3, S6: ON; và S1,
S4, S5: OFF. Tính các điện áp usa, usb, usc, UAB, UBC?
Bài tập 1.14. Khi tăng tần số điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu, đánh giá tác
động của sóng hài bậc cao lên dòng điện động cơ. Phương pháp điều
khiển nào có tần số PWM luôn thay đổi?
Bài tập 1.15. Biến tần (hình dưới) có thông số ngõ vào 3 pha 380Vrms, 50Hz; ngõ ra

380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số công suất
PF=0,8. Biết tụ điện C đủ lớn để lọc phẳng điện áp DC. Ngõ vào biến
tần được cấp nguồn 3 pha 380Vrms, 50Hz. Ngõ ra biến tần cấp nguồn
cho động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.16


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

a) Tính điện áp một chiều trên tụ điện C (DC Link)?
b) Tính giá trị cuộn dây choke 3 pha 3% (sụt áp trên choke bằng 3% điện áp
định mức) gắn thêm trước bộ điều khiển động cơ để lọc sóng hài?
c) Tính công suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà
biến tần trên có thể điều khiển được?
d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính
công suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên có thể điều khiển được?
Khi đó tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà
biến tần có thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)?
e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khoá của biến tần trên như sau: S1, S4,
S5: ON; và S2, S3, S6: OFF. Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên
các hệ tọa độ abc (usa, usb, usc),  (us, us)?
f) Chương 2: Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên hệ tọa độ dq (usd,
usq). Cho biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = 270o.
Ví dụ 1.1: Chứng minh?

a)

us ( t )  us e js t  us s t   us coss t   jsins t 

 3

2 
3

u as  0,5u bs  0,5u cs   j
u bs 
u cs  

3 
2
 2

Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ  abc?


1
0 
u as  
 s
   1
3  u s 
 
u bs   
2  u ss 
u   2

 cs   1

3 

 2
2 
b)

us 

(1.6)
(1.5)

(1.11)

Ví dụ 1.3: Chứng minh:

Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?
1
U Nn  U An  U Bn  U Cn 
a)
3
2
1
1
U AN  U An  U Bn  U Cn
b)
3
3
3
Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.17

(0,5

(0,5

(0,5

(1

(1,5


(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Ví dụ 1.5: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF?
Ví dụ 1.6: Tính các điện áp thành phần us và us tương ứng với 8 trạng thái trong
bảng 1.1?
0

2
Ví dụ 1.7:
Bộ nghịch lưu ở trạng thái 110, chứng minh u phase_1  U dce j60
3

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator u s ( t ) ứng với

trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương

pháp hình học)
Ví dụ 1.9: Chứng minh u phase_ 0 

0
2
U dce j0
3



0
2
3U dce j30
3

Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator u line ứng với

trạng thái (110), u line _ 2 ? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)
Ví dụ 1.12:
Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:
5
5
j
j
2
2
3VDC e 6
a/ v 6 pha  VDC e 3
b/ v3 day 
3

3

Ví dụ 1.10:

Ví dụ 1.13:

Bộ nghịch lưu ở trạng thái 100, chứng minh u line_1 

Chứng minh u s e

j


j
2
2


 T1  U dc   T2  U dce 6
3

3

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha






I.18


(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

Chương 2: HỆ QUI CHIẾU QUAY
I. Hệ qui chiếu quay
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ , xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục
hoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một
d
góc s so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ). Trong đó, a  a quay tròn quanh
dt

gốc tọa độ chung, góc a = at + a0. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector
trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ
của hai tọa độ này.
j

jq

d

fs

fsd
fsq
a

0



fs


Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian u s từ hệ tọa độ  sang hệ

tọa độ dq và ngược lại.
Từ hình 1.5 dễ dàng rút ra các công thức về mối liên hệ của hai tọa độ của
một vector ứng với hai hệ tọa độ  và dq. Hay thực hiện biến đổi đại số:
(1.10a)
fs = fsdcosa - fsqsina
(1.10b)
fs = fsdsina + fsqcosa



fs  fs  jfsβ



fsdq  fsd  jfsq

Theo pt (1.9a) thì:
và tương tự thì:
Ví dụ 2.1: Chứng minh

(1.11)

(1.12)

  dq j
fs  fs e a

Khi thay hệ pt (1.10) vào pt (1.11) sẽ được:

fs  fsdcosa  fsqsina   jfsdsina  fsq cosa 

 fsd  jf sq cosa  jsina   fsdqe j a

Hay

   dq j
fs  fs e a

Chương 2: Hệ qui chiếu quay





f sdq  f s e  ja

(1.13)
(1.14)
II.1


(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

Ví dụ 2.2: Bộ biến tần được cấp nguồn vào từ nguồn ba pha 380V, 50Hz, chỉnh lưu
thành điện một chiều với tụ lọc khá lớn, rồi nghịch lưu thành điện ba pha 25Hz để
cấp nguồn cho động cơ với điện áp pha lớn nhất khi chưa quá điều chế. Biết góc
pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 4ms:
i. Tính biên độ điện áp u s và usa, usb, usc, us , us?
ii. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz.
iii. Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là a = 30o. Tính usd và usq?
Ví dụ 2.3: Tính fsd và fsq theo fs, fs và a.

Thay pt (1.11) vào pt (1.14), thu được phương trình:
(1.15a)
(1.15b)

fsd = fscosa + fssina
fsq = - fssina + fscosa

jq

a

s

Cuộn dây

d

pha B

fsd
a
fsq
0

Cuộn dây
pha A

Cuộn
dây pha C

Hình 2.2: Hệ tọa độ quay

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.2


(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

Biến đổi Park:

 XÉT KHI a  0

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.3

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

II. Biễu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Mục này trình bày cách biểu diễn các vector không gian của động cơ không
đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor. Giả thiết một ĐCKĐB ba
pha đang quay với tốc độ góc  

d
(tốc độ quay của rotor so với stator đứng yên),
dt

với  là góc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A,
chính là trục  trong hệ tọa độ ).

jq

d

j

Cuộn dây
pha B



r =a
is

isd
r
isq


0



is

Cuộn dây
pha A

Trục rotor

Trục từ

Cuộn
dây pha C

thông rotor


Hình 2.3: Biểu diễn vector không gian is trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là

hệ toạ độ dq.


Trong hình 1.6 biểu diễn cả hai vector dòng stator is và vector từ thông rotor

d


 r . Vector từ thông rotor  r quay với tốc độ góc a  r  r  s  2f s (tốc độ
dt

quay của từ thông rotor so với stator đứng yên). Trong đó, fs là tần số của mạch điện
stator và r là góc của trục d so với trục chuẩn stator (trục ).
Độ chênh lệch giữa s và  (giả thiết số đôi cực của động cơ là p=1) sẽ tạo
nên dòng điện rotor với tần số fsl, dòng điện này cũng có thể được biễu diễn dưới
Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.4