Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với common mode cực tiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN PHƯƠNG QUANG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI
COMMON MODE CỰC TIỂU

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 0 4 4 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN PHƯƠNG QUANG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU

Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng và Nhà Máy Điện
Mã số ngành: 60 52 50

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU

Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng và Nhà Máy Điện
Mã số ngành: 60 52 50

Họ và Tên Học Viên:
NGUYỄN PHƯƠNG QUANG
Người Hướng Dẫn:
TS NGUYỄN VĂN NHỜ

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005


MỤC LỤC
- Nhận xét của giáo viên
- Tờ nhiệm vụ luận văn thạc só.
- Lời cảm ơn.
- Tóm tắt luận văn thạc só
- Mục lục
Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 . Vò trí biến tần trong công nghiệp
1.2. Biến tần đa bậc
1.3. Vấn đề điện áp common mode (C.M)
1.4. Những vấn đề sẽ khai triển trong luận văn

1

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB BIẾN TẦN ĐA BẬC
2.1. Giới thiệu
2.2. Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động cơ điện trong hệ truyền
động động cơ KĐB - biến tần đa bậc
2.3. Phương pháp điều chế dùng cho biến tần đa bậc
2.3.1. Cấu trúc biến tần đa bậc
2.3.1.1. Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade
2.3.1.2. Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp
2.3.1.3. Cấu trúc phối hợp
2.3.1.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi
2.3.1.5. Nhận xét về các dạng sơ đồ nghòch lưu đa bậc
2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc
2.3.2.1. Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
2.3.2.2. Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu năm bậc
2.3.3.3. Vector redundant
2.3.3. Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Dùng Sóng Mang
(Carrier based PWM)
2.3.3.1. Khái niệm
2.3.3.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế
PWM

6

Chương 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN
ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN
3.1. Dẫn nhập
3.2. Mạch common mode trong hệ truyền động biến tần động cơ
3.3. Các thông số điện ảnh hưởng đến độ bào mòn ổ đỡ

24

2
4
5

7
8
9
10
12
13
13
14
14
19
20

21
21

24
25
26

3.4. Tác động của việc nối đất nguồn cung cấp lên điện áp common
mode
3.5. Triệt giảm common mode thông qua việc lắp thêm tụ điện ngõ
vào bộ biến tần
3.5.1. Phương thức thực hiện
3.5.2. Kiểm chứng qua thực nghiệm
3.5.3. Những nhận đònh về triệt giảm C.M thông qua việc lắp thêm
tụ điện ngõ vào bộ biến tần

28

Chương 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ COMMMON MODE CỰC TIỂU
TRONG BIẾN TẦN ĐA BẬC
4.1. Giới thiệu các phương án
4.2. Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode
4.3. Triệt bỏ một phần điện áp common mode
4.3.1. Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghòch lưu NPC
4.3.2. Chiến lược giảm điện áp C.M
4.3.3. Thực Nghiệm
4.4. Kết luận

31

Chương 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRIỆT GIẢM COMMON
MODE TỐI ƯU, MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG, ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
5.1. Giới thiệu phương án
5.2. Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa SVPWM và

CPWM
5.2.1. Giới Thiệu
5.2.2. Khối Tạo Tín Hiệu kích hoạt (Active Signal Generator)
5.2.3. Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator)
5.3. Mô phỏng hệ truyền động với common mode cực tiểu
5.3.1. Lựa chọn mạch động lực
5.3.2. Mô phỏng hệ truyền động
5.3.2.1. Khối xác đònh các cực trò
5.3.2.2. Khối Giới Hạn giá trò offset
5.3.2.3. Khối Hàm Vr 0,ref
5.3.2.4. Khối đònh tỉ lệ thời gian đóng cắt K1, K2, K3
5.3.2.5. Khối Tính Toán Tạo Voffset
5.3.2.6. Khối Tính Common mode cực tiểu
5.3.3. Mô phỏng
5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận

40

28
28
29
30

31
35
35
37
38
39

41

42
44
44
46
46
47
47
48
49
49
50
51


Chương 6: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỀU
KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR
6.1. Giới thiệu phương thức điều khiển dựa theo từ thông
6.1.1. Giới thiệu
6.1.2. So sánh với các phương thức phương thức điều khiển tốc độ
động cơ thông dụng
6.2. Thành lập mô hình các khối chứùc năng trong hệ điều khiển theo
từ thông
6.2.1. Nguyên lý chung
6.2.2. Phép chuyển đổi tọa độ
6.2.3. Mô hình toán học của động cơ
6.2.3.1. Lựa chọn động cơ cho hệ truyền động
6.2.3.2. Mô hình toán học của động cơ điện KĐB xoay chiều 3
pha

6.2.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển theo từ thông
6.2.4.1. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển vector trong động
cơ điện KĐB xoay chiều 3 pha
6.2.4.2. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (a,b,c)  (α-β)
6.2.4.3. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (d,q)  (α-β)
6.2.4.4. Ước lượng từ thông rotor
6.2.4.5. Mạch phân ly
6.2.4.6. Xác đònh hàm từ thông yêu cầu
6.3. Tính toán thông số cho các khối
6.3.1. Khối ước tính từ thông rotor
6.3.2. Khối chuyển đổi hệ trục toạ độ
6.3.3. Khối xác đònh giá trò từ thông và tốc độ yêu cầu
6.3.4. Khối phân ly các thành phần điều khiển
6.4. Mô phỏng hệ truyền động
6.4.1. Thiết lập sơ đồ mạch trong PSIM
6.4.2.1. Khối ước lượng từ thông rotor
6.4.2.2. Khối phân ly hai thành phần điều khiển
6.4.2.3. Các khối chuyển đổi
6.4.2.4. Mạch thay đổi chế độ tải
6.4.2. Mô phỏng hệ truyền động
6.5. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận
- Kết luận và đề nghò + Summary
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục
- Thuật ngữ kỹ thuật
- Tóm tắt lý lòch trích ngang

51
52

54
55
59
60

61
62
63
64
64
66
68
68
69
69

70
71
71
72
72
75
76
78
79


Chương 1: MỞ ĐẦU

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 .VỊ TRÍ BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆP
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại cũng như số lượng các bộ
biến tần, ngày càng nhiều thiết bò điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần,
trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ
biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan
đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn đònh của tốc độ động cơ
mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn đònh của hệ thống …
ví dụ: doa xi-lanh, máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động
pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm đònh hình khi đúc … Vì thế, việc điều
khiển và ổn đònh tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ
thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay
đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở
phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ
làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để
điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền
chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính
phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh
hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến
tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc
độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng
chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động
cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc

biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước
kia. khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ
yếu sử dụng các nghòch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết
bò dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so
với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 1


Chương 1: MỞ ĐẦU

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghòch
lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,
bảo trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bò quá điện áp
ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi,
giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start),
tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bò bán dẫn là thích
hợp nhất trong trường hợp này.
1.2. BIẾN TẦN ĐA BẬC

Động cơ điện
không đồng bộä

Udc

0

a) Hệ thống truyền động biến tần đa bậc - động cơ điện không đồng bộä
2 bậc

3 bậc

5 bậc

9 bậc
b) Điện áp ngõ ra thay đổi theo số bậc biến tần

c) Sóng dạng điện áp tại các điểm

Hình 1.1: Hệ thống truyền động biến tần - động cơ điện không đồng bộä

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 2


Chương 1: MỞ ĐẦU

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa một đầu pha tải
(điểm a, b hoặc c với điểm 0 trong hình 1.1) của nguồn một chiều thay đổi

giữa hai bậc khác nhau (tương ứng trong sơ đồ hình 1.1 là +U dc/2 và –Udc/2).
Điều này dẫn đến dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common mode rất
nghiêm trọng (xem chương 2). Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ
nghòch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage Source Inverter: VSI), do tính phổ
dụng có thể gọi là biến tần đa bậc (Multi-level Inverter). Đây là một
phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm khi sử dụng ở điện áp cao và công
suất lớn. Các nhược điểm vừa nêu trong biến tần hai bậc có thể được khắc
phục khi sử dụng bộ biến tần đa bậc. Cụ thể khi xét một hệ thống truyền
động biến tần - động cơ điện không đồng bộä với thông số động cơ P = 800
kW; 4.16 kV; 60 Hz; cosφ = 0,8 có sơ đồ khối như hình 1-1 và Udc = 6 kV,
sau khi thực hiện việc đo đạt các thông số thực tế, khi thay đổi số bậc của
biến tần dùng trong hệ truyền động, ta có kết quả như sau:

Hình 1.2 a: Tổng độ méo
dạng do hài

Hình 1.2 b: Giá trò điện kháng
dùng trong bộ lọc

Hình 1.2 c: Công suất truyền
qua bộ nghòch lưu (Pcond) trên
công suất tổn hao do đóng cắt
(Psw)
Số bậc của biến tần

Hình 1.2: Các đặc tính của bộ biến tần đo đạt trên một trên hệ truyền động
thực tế

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 3


Chương 1: MỞ ĐẦU

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

- Sóng dạng điện áp ngõ ra sẽ gần sin hơn (minh hoạ qua hình 1.1 b), hay
tổng lượng hài sẽ giảm nhanh theo số bậc (hình 1.2 b).
- Trò số điện cảm Lf trên mạch lọc nhỏ hơn (với cùng một bộ lọc), dẫn tới
tổn hao cũng như đặc tính điện áp ngõ ra sẽ được cải thiện hơn (hình 1.2 a).
- Tổn hao do đóng cắt giảm (Psw giảm) trong khi công suất truyền tải qua hệ
lại tăng (Pcond tăng), minh hoạ qua hình 1.2 c.
Với những ưu điểm vượt trội như trên, biến tần đa bậc được sử dụng
ngày một rộng rãi trong công nghiệp. Để tăng tính thuyết phục, luận án sẽ
chọn biến tần đa bậc để thiết kế hệ truyền động động cơ không đồng bộ
dùng bộ biến tần.
1.3. VẤN ĐỀ ĐIỆN ÁP COMMON MODE (C.M)
Khi thiết kế và thi công bộ biến tần dùng trong hệ điều khiển tốc độ
động cơ điện có rất nhiều các vấn đề cần phải quan tâm, cụ thể như:
Trò hiệu dụng của các thành phần hài của điện áp ngõ ra bộ biến tần.
Tổn hao trong cuộn dây stator, rotor do thành phần hài tăng lên cụ
thể là tác dụng của sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện từ hoá lõi
thép.
Tổn hao do dòng xoáy và từ trễ.
Từ trường đập mạch, từ trường nghòch.
Công suất bộ biến tần : với công suất lớn không thể sử dụng các bộ
biến tần hai bậc.
dV
dI

và L .
lớn. Độ
dt
dt
dV
giảm phẩm chất cách điện theo thời gian nhanh hơn do C .
lớn
dt

Giao thoa điện từ (EMI) do các biến thiên C .

.v.v…

Icm
Dòng common mode

Hình 1.3: Common-Mode trong bộ biến tần – động cơ.

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 4


Chương 1: MỞ ĐẦU

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

Ngoài các yếu tố kể trên, từ năm 2000 đến nay đã có rất nhiều các
đề tài, bài viết của nhiều tác giả có uy tín được đăng tải trên các tạp chí lớn
như IEEE … bàn về vấn đề điện áp C.M. Hình 1.3 trình bày hệ thống chỉnh

lưu cầu – nghòch lưu dạng diode kẹp (NPC). Trong cấu trúc này, điện áp
C.M được xác đònh là điện thế giữa trung tính bộ dây stator “s” và nối đất
của hệ thống “g” (trên hình 1.4) gọi là vsg. Điện áp này được cấu thành bởi
vsn và vng. Điện áp vng, điểm giữa của nguồn Udc, có thể thay đổi tuỳ theo
cách nối đất của biến áp nguồn, trình bày trên hình 1.3. Điện thế điểm giữa
của nguồn một chiều của bộ biến tần với điểm trung tính của bộ dây stator
động cơ vsn có thể được diễn tả theo hàm đóng cắt của các linh kiện trong bộ
nghòch lưu NPC (sa, sb, sc) theo điều kiện phụ tải cân bằng.
Theo [2], tác giả đã tìm ra được mối quan hệ giữa độ bào mòn ổ đỡ
với điện áp C.M. Cụ thể là thể tích của lượng kim loại bò bào mòn ổ đỡ tỷ lệ
với năng lượng do điện áp C.M đặt trên ổ đỡ. Điện áp này xuất hiện chủ
yếu do các biến thiên dV/dt trên bộ biến tần sử dụng các khoá điện tử.
Ngoài việc bào mòn các ổ đở trong động cơ, dòng rò C.M (Icm) còn có khả
năng gây đóng cắt sai trên các relay bảo vệ dòng tác động nhanh.
out

Hình 1.4: Sóng dạng điện áp Common-Mode (Vsn)
1.4. NHỮNG VẦN ĐỀ SẼ KHAI TRIỂN TRONG LUẬN VĂN
Việc bào mòn ổ đỡ do điện áp C.M đã quá rõ ràng, như vậy cần thiết
phải triệt bỏ nó. Ứng với mỗi phương thức điều khiển trong bộ biến tần, sẽ
có cách triệt giảm tương ứng, do đó cần thiết phải lựa chọn một phương thức
điều khiển cho phù hợp mới có thể đạt hiệu quả cao trong việc triệt giảm
C.M cho hệ thống biến tần - động cơ. Trong thực tế cũng có rất nhiều
phương thức điều chế sử dụng trong nghòch lưu áp 3 pha, như SVPWM,
CBPWM, DPWM, PWM kinh điển… mỗi phương án đều có những ưu nhược
riêng, không có phương án nào là tối ưu trên mọi phương diện. Chính vì
vậy, nên đề tài sẽ đưa ra một phương pháp kết hợp nhằm thiết kế bộ điều
khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với C.M cực tiểu
nhưng vẫn giữ được các đặc tính ưu việt vốn có của hệ truyền động.

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 5


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

CHƯƠNG 2:
GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA
BẬC
2.1 GIỚI THIỆU
Trước đây, hầu hết các hệ thống tự động điều khiển đều sử dụng
động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song vì loại động cơ này dễ
điều khiển một cách ổn đònh hơn các loại động cơ khác. Nhưng trong những
năm gần đây, theo xu hướng phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử số,
các bộ điều khiển có khả năng điều khiển được tốc độ động cơ xoay chiều
theo một chương trình cài đặt sẵn ngày một hoàn thiện đã đưa động cơ xoay
chiều trở thành lựa chọn ưu tiên một cho hệ thống tự động điều khiển. Bởi
vì nguồn xoay chiều thì ở đâu cũng có và cấu tạo động cơ một chiều thì
phức tạp do đó giá thành cao, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng sửa chữa
lớn … Vì vậy, hiện nay những nhà thiết kế hệ thống điều khiển tự động đều
chuyển sang sử dụng động cơ xoay chiều rotor lồng sóc trong các hệ thống
điều tốc có khả năng thay đổi một cách linh hoạt theo yêu cầu thực tiễn của
thiết bò.
Động cơ
khơng
đồng bộ 3
pha

Nguồn E
DC
cung
cấp

Encoder
Giải
mã

Mạch điều khiển

Hình 2.1: Hệ thống truyền động biến tần – động cơ sử dụng khoá bán dẫn
Với những hệ thống công suất nhỏ, các nhà thiết kế hiện nay cũng
còn một loại động cơ khác đáng để lựa chọn: đó là động cơ bước. Ưu điểm
nổi bật của động cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều khiển theo một
chương trình đònh trước. Tuy nhiên hiện nay vấn đề công suất chính là trở
ngại lớn khi muốn thiết kế hệ thống tự động điều khiển sử dụng động cơ
bước, vì vậy hiện nay trong công nghiệp chủ yếu người ta sử dụng hệ thống
biến tần – động cơ không đồng bộ. Hình 2.1 trình bày một hệ truyền động
động cơ không đồng bộ - biến tần điển hình. Trong hệ này, một bộ nghòch
lưu gồm 6 transistor chuyển nguồn một chiều sức điện động E sang điện áp
3 pha cung cấp cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. Để kích dẫn
các khoá transistor, hiện nay với các bộ biến tần đa bậc người ta thường sử

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 6

Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

dụng kỹ thuật xử lý số tín hiệu (Digital Signal Proccesing - DSP). Trên hệ
này, người ta sử dụng các vi mạch chuyên dụng trong DSP cũng như trong
điều chế để điều khiển chế độ đóng cắt của các khoá bán dẫn nhằm thay
đổi tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số nguồn cung cấp f1.
2.2 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC
Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không đồng bộ (KĐB)
xoay chiều 3 pha một sức điện động hình sin xoay chiều 3 pha thì nó sẽ tạo
ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ:
n

60 f 1
p

(2.1)

Với:
* f1 là tần số nguồn 3 pha cung cấp cho động cơ không đồng bộ.
* p là số đôi cực từ của bộ dây quấn stator.
Từ công thức tính tốc độ động cơ đã trình bày ở phần trên, có thể thay
đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha theo các phương
pháp sau:
 Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1:
Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo vi mạch số khả
lập trình và linh kiện công suất lớn, các bộ biến tần tạo sóng sin ngày càng
một hoàn thiện với giá thành ngày một thấp … đã tạo nên chỗ đứng vững

chắc cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha trong hệ thống cần
có sự điều chỉnh và ổn đònh tốc độ. Sử dụng các bộ biến tần điều khiển tốc
độ động cơ cho phép thay đổi tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn,
có bảo vệ quá tải, khởi động “êm” (ramp start) … Bên cạnh việc thay đổi tần
số của nguồn điện cung cấp, phương pháp này cần phải thay đổi cả điện áp
U, vì ngoài quan hệ (2.1), trong động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
còn có quan hệ giữa Mt, U1 và f1.
 Thay đổi số đôi cực từ p:
Thông thường người ta sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí để đổi nối
giữa các cuộn dây trong bộ dây quấn stator hay thay đổi giữa hai bộ dây
quấn trên cùng lõi thép kỹ thuật điện ở stator nhưng có cấu trúc khác nhau
về số đôi cực từ nhằm thay đổi số đôi cực từ p để thay đổi tốc độ từ trường
quay. Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở stator và rotor là
như nhau. Nghóa là khi thay đổi số đôi cực ở stator thì ở rotor cũng phải thay
đổi theo. Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rotor dây quấn, nên phương
pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và loại
H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 7


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở rotor để phù hợp với số
đôi cực ở stator. Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stator phải có
ít nhất là hai nhóm bối dây trở lên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều
cấp tốc độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao. Vì vậy trong
thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp tốc độ.

 Thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor:
Đây là phương pháp điều chỉnh tốc độ đơn giản và chỉ được sử dụng
đối với các động cơ không đồng bộ rotor quấn dây (vì phải có bộ dây quấn ở
rotor thì mới có thể đưa vào các điện trở điều chỉnh tốc độ thông qua việc
thay đổi độ trượt s.
 Thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator động cơ:
Đây là phương thức có thể ứng dụng chung cho tất cả các loại động
cơ điện. Đối với động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha, khi thay đổi giá
trò điện áp đi k lần, moment thay đổi đến k2 lần, do đó thay đổi được tốc độ
động cơ (công thức 2.3). Nghóa là khi điện áp giảm đi 0,7 lần thì moment
giảm đến (0,7)2 = 0,49 lần (hơn một nửa).
 Bằng cuộn kháng bão hoà:
Đây là một hình thái biến tướng của phương thức thay đổi điện áp trên bộ
dây quấn stator động cơ. Cuộn kháng bão hoà là thiết bò điện từ có trò số
điện kháng biến đổi được. Nguyên tắc làm việc là sử dụng một nguồn năng
lượng nhỏ thay đổi độ từ hoá của lõi thép, từ đó thay đổi điện áp đặt trên bộ
dây quấn stator động cơ.
Nếu so với các phương án thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor; thay
đổi điện áp trên bộ dây quấn stator động cơ; sử dụng cuộn kháng bão hoà …
thì phương án thay đổi số đôi cực từ p sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí
để thay đổi số đôi cực nhằm thay đổi tốc độ động cơ có vẻ thông dụng hơn
do những ưu điểm là rẻ tiền và làm việc với độ tin cậy cao nhưng nhược
điểm lớn nhất của chúng là khoảng thay đổi tốc độ hẹp, không trơn (nhảy
cấp) và không ổn đònh được tốc độ (một yêu cầu rất quan trọng hiện nay cho
hệ truyền động điều tốc động cơ). Do vậy, ở đây đề tài chỉ nghiên cứu hệ
thống điều tốc thông dụng nhất đó là các hệ thống điều tốc sử dụng các bộ
biến tần với thiết bò đóng cắt bán dẫn.
2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DÙNG CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC
Hiện nay trên thực tế có rất nhiều phương thức điều chế được sử dụng
trong biến tần đa bậc, nhưng thông dụng nhất phải kể đến hai phương thức:

- Phương thức điều chế vector không gian (Space Vector PWM: SVPWM).

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 8


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

- Phương thức độ rộng xung dùng sóng mang (Carrier Based PWM:
CBPWM).
2.3.1. Cấu trúc biến tần đa bậc
Bộ nghòch lưu trên hình 2.1 chỉ chứa 2 khoá bán dẫn trên mỗi nhánh
pha tải, được gọi là nghòch lưu áp hai bậc (two-level VSI), được áp dụng ở
điện áp vừa và công suất nhỏ. Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện
áp giữa một đầu pha tải (điểm a, b hoặc c trong hình 2.1) với điểm O (hình
2.1) của nguồn một chiều thay đổi giữa hai bậc khác nhau (tương ứng trong
sơ đồ hình 2.1 là +E/2 và –E/2). Điều này dẫn đến dV/dt khá lớn và hiện
tượng điện áp C.M rất nghiêm trọng (xem chương 3).
a) Dạng NPC
b) Chiến lược đóng cắt theo APOD
c) Sóng mang và điện áp chủ đạo hình sin

(a)

E/4

(b)

E/2

E/4

E/4
-E/4

-E/2

-E/4

(c)
Hình 2.2: Nghòch lưu áp năm bậc
Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghòch lưu áp đa bậc
(Multi-level Voltage source: VSI) minh hoạ trên hình 2.3 (a) và (d). Để cho
đơn giản, có thể hiểu bộ nghòch lưu áp đa bậc chính là bộ nghòch lưu áp hai
bậc như trên hình 2.1 nhưng thay thế một khoá transistor bằng nhiều khoá

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 9


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

như hình 2.2 (a). Bốn khoá bán dẫn được đóng cắt theo chương trình dựa
trên việc so sánh với tín hiệu chủ đạo hình sin như trên hình 2.2 (b). Chương

trình này được nạp vào phần mềm điều khiển đóng cắt giữa các khoá bán
dẫn điều khiển việc đóng cắt trên các khoá này để sóng dạng điện áp ra ở
mỗi pha được trình bày trên hình 2.2 (c). Rõ ràng khi quan sát trên các mức
so sánh trên hình 2.2 (b), bộ biến tần này có 5 mức điện áp trên mỗi pha nếu
so với điểm 0 của nguồn DC. Đó là các mức: 0, E/4, E/2, –E/4, –E/2. Vì vậy,
đây là bộ nghòch lưu áp 5 bậc. Để được sóng dạng điện áp ngõ ra như trên
hình 2.2 (c), người ta đóng cắt các khoá transistor theo phương thức SPWM
(xem phần cuối của chương 2) như bảng I. Trong bảng này, sự thay đổi trạng
thái đóng cắt của các tiếp điểm SW1, SW2, SW3, SW4 sẽ tạo nên sự thay
đổi ở ngõ ra Vout theo các mức 2E, E, 0, -E, -2E. Xếp chồng các kết quả này
lại ta sẽ có điện áp ngõ ra như Hình 2.2 (b).
BẢNG I: TRÌNH TỰ ĐÓNG CẮT CÁC KHOÁ SW i THEO PHƯƠNG
THỨC SPWM
mode 1
mode 2
mode 3
mode 4
mode 5

SW1
on
off
off
off
off

SW2
on
on
off

off
off

SW3
on
on
on
off
off

SW4
on
on
on
on
off

Vout
2E
E
0
-E
-2E

Dựa vào cấu trúc mạch động lực, người ta phân biến tần đa bậc theo
cấu trúc cơ bản của mạch động lực trong bộ nghòch lưu đa bậc như sau:
2.3.1.1. Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade (cascaded inverter):

Hình 2.3: Nghòch lưu áp năm bậc dạng cascade
Sử dụng các nguồn một chiều riêng, thích hợp trong trường hợp sử

dụng nguồn một chiều có sẵn, ví dụ dưới dạng bình diện, battery. Biến tần
dạng Cascade gồm nhiều bộ nghòch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các
bộ nghòch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn một chiều riêng.
H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 10


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghòch lưu áp một
pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n
bộ nghòch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp
theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, …, -nU ), n khả năng mức điện áp theo
chiều dương (U, 2U, 3U, 4U, …, nU) và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghòch
lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghòch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo
thành bộ nghòch lưu (2n +1) bậc
Để dễ hiểu hơn, hãy xem các khoá bán dẫn như những công tắc cơ
khí. Dễ dàng nhận thấy ở mỗi nhánh pha trong biến tần cascade được cấu
thành từ việc ghép nối tiếp các cầu H (nghòch lưu áp một pha hình chữa H)
nối tiếp nhau, và cứ bao nhiêu nhánh pha thì ghép song song bấy nhiêu dãy.
Minh hoạ trên hình 2.3.
Pha A

Neutral

Hình 2.4: Đơn giản hoá sơ đồ pha A trên hình 2.3
Từ lý luận này dễ dàng chuyển đổi mạch điện trên hình 2.3 hay một

nghòch lưu đa bậc bất kỳ dạng cascade trở nên đơn giản hơn như hình 2.5.
Do cấu trúc như trên nên ta thấy biến tần đa bậc dạng cascade có số
linh kiện tham gia ít hơn các dạng khác, việc điều khiển cũng dễ dàng hơn
do các nhóm cầu H đều giống nhau về mặt cấu trúc từ đó dễ module hoá.
Vấn đề cân bằng về điện áp liên lạc một chiều cũng không xảy ra. Do đó có
thể nói đây là dạng biến tần đa bậc thông dụng nhất. Tuy nhiên dạng này
cần nhiều nguồn một chiều.

Hình 2.5: Đơn giản hoá sơ đồ biến tần n bậc dạng cascade

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 11


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

2.3.1.2. Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped
Multilevel Inverter: NPC):
Sử dụng thích hợp khi các nguồn một chiều tạo nên từ hệ thống điện
xoay chiều. Bộ nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch
nguồn một chiều được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ
chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Trình bày trên hình 2.6.
Giả sử nhánh mạch một chiều gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc
nối tiếp. Điện áp pha-nguồn một chiều có thể đạt được (n+1) giá trò khác
nhau và từ đó bộ nghòch lưu được gọi là bộ nghòch lưu áp (n+1) bậc.Ví dụ
chọn mức điện thế 0 ở cuối dãi nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm
(0, U, 2U, 3U, …, nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vò

trí bất kỳ trên, nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp
pha - nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 = U), tất cả các linh
kiện bò kẹp giữa hai diode (D1, D1’) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục
kề nhau, phải được kích đóng, các linh kiện còn lại phải được khoá theo
nguyên tắc kích đối nghòch. Như hình vẽ trên, tạo ra sáu mức điện áp pha –
nguồn DC nên mạch lưu đa bậc. Với dạng biến tần này, có thể xác đònh số
tổ hợp vector điện áp như sau: gọi l là số nhánh pha (phase leg); N là số bậc
trong nghòch lưu, số tổ hợp vector điện áp cấu thành nghòch lưu là N l. Ví dụ
hai bậc với 3 nhánh pha là 23 = 8 tổ hợp; ba bậc với 3 nhánh pha là 33 = 27
tổ hợp …

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 12


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp
tải và giảm đột biến điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghòch lưu ba bậc,
dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3,
mức độ chòu đột biến về điện áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân
bằng điện áp giữa các nguồn một chiều (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc
biệt khi số bậc và điện áp làm việc tăng cao.
2.3.1.3. Cấu trúc phối hợp (Cascaded Diode-Clamped/H-bridge Inverter:
DCH Inverter)
Hình 2.7 trình bày một cấu trúc biến tần phối hợp giữa Cascade và NPC, cụ
thể là kết hợp giữa biến tần dạng NPC ba bậc và kết nối cascade giữa các

cầu H năm bậc.
2.3.1.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter)

Hình 2.8: trình bày một cấu trúc biến tần dùng tụ điện thay đổi
H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 13


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

đây số tụ tham gia càng nhiều theo chiều tăng của số bậc biến tần.
Ưu điểm chính của bộ biến tần dạng này là:
- Khi số bậc cao không cần dùng bộ lọc.
- Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng từ đó có thể điều tiết
việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần.
Nhưng bên cạnh vẫn còn một số nhược điểm sau:
- Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.
- Việc điều khiển sẽ rất khó khăn khi số bậc của biến tần tăng cao.
2.3.1.5. Nhận xét về các dạng sơ đồ nghòch lưu đa bậc:
Trong các dạng sơ đồ vừa nêu tuy mỗi sơ đồ đều có một ưu nhược
riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là hai dạng: NPC và Cascade. Vì nếu như
nhược điểm của sơ đồ phối hợp giữa NPC và Cascade phức tạp trong phương
thức điều khiển thì sơ đồ dạng dùng tụ thay đổi lại khó thực hiện bởi vì mỗi
nhóm tụ trong mạch được nạp với các mức điện áp khác nhau khi mạch làm
việc với số bậc lớn.
2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc

Phương pháp điều chế vector không gian là phương thức thay thế 3
vector điện áp 3 pha thành một vector duy nhất quay trong không gian. Như
vậy thay vì phải tính toán trên 3 pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục α-β cho
độ lớn và góc pha của đại lượng này. Điều này sẽ làm phép tính đơn giản đi
rất nhiều.
2.3.2.1. Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc:
Quá trình đóng cắt các khoá bán dẫn tạo nên 27 trạng thái khác nhau
trên lục giác, mỗi trạng thái được minh hoạ bởi tổ hợp (ka, kb, kc), với các
giá trò ka = 0, 1, 2; kb = 0, 1, 2; kc = 0, 1, 2; là hệ số trạng thái tương ứng của
các pha a, b, c. Ví dụ xét hệ số ka của pha a ta có:
0

k a  1
2


khi : S a 3  S a 4  1
khi : S a 2  S a 3  1
khi : S a1  S a 2  1

(2.15)

Trong quá trình kích dẫn qui luật sau đây phải được tuân thủ:
S x1 S x 3  1
S x2S x4  1

(2.16)

Với: x = a, b, c
Từ đó, ta có thể hiểu trạng thái (200) có nghóa là:

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 14


Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

S a1  S a 2  1 ; S b3  S b 4  1 ; S c 3  S c 4  1

Như vậy như đònh nghóa về vector không gian đã nói ở phần trước
trong mục này, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 19 vò
trí của vector không gian của điện áp tạo thành bao gồm 12 vector nằm trên
đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, 6 vector nằm trên 6 đỉnh
của hình lục giác bên trong và vector không nằm tại tâm của hình lục giác
(Hình 2.9). Đối với các vector nằm tại đỉnh của hình lục giác bên trong, tồn
tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của các linh kiện như lại có cùng chung
một vò trí vector không gian. Ngoài ra còn tồn tại ba trạng thái kích dẫn
khác nhau cho cùng vò trí vector không.

Hình 2.9: Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu áp 3 bậc
Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian với bộ biến
tần đa bậc được thực hiện tương tự như ở hai bậc. Để tạo ra vector trung


bình tương đương cho một vector u cho trước, trước hết hãy xem vector u
nằm ở vò trí nào trong hình lục giác. Để thuận tiện, thông thường diện tích
hình lục giác được chia nhỏ thành các hình lục giác con. Ví dụ góc phần sáu

 

thứ nhất của hình lục giác được giới hạn bởi ba vector u 0 , u 2 và u 5 được


chia nhỏ thành các diện tích (1), (2), (3) và (4) như hình 2.10. Vector u đang
được điều khiển cần đạt được các giá trò sao cho vò trí của nó nằm ở phần
diện tích .
Bước kế tiếp ta xác đònh các vector không gian cần thiết – còn gọi là
các vector cơ bản, các vector này cần thiết để tạo nên vector trung bình nằm
 

trong diện tích . Nhìn vào hình ta thấy đó chính là các vector u 1 , u 2 và u 3 .


Như vậy vector tương đương vector u có thể được biểu diễn duy trì các tác

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang

Trang 15