NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Bùi Thị Thanh Huyền, học viên lớp cao học K10 Tự Động Hoá niên
khoá 2007-2009 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là TS. Trần Xuân Minh, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên: BÙI THỊ THANH HUYỀN
Người hướng dẫn khoa học: TS.TRẦN XUÂN MINH

tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện
biến tần  động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư".
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả luận văn
DUYỆT BAN GIÁM
HIỆU

KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG
DẪN

HỌC VIÊN

Bùi Thị Thanh Huyền

Ts. Trần Xuân Minh

Bùi Thị Thanh Huyền

THÁI NGUYÊN - 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

4

MỤC LỤC
Trang

Trang bìa phụ ……………………………………………………………. ........
Lời cam đoan ……………………………………………………………. .........
Mục lục ………………………………………………………………...............
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………………………………… ........
Danh mục các bảng ……………………………………………………… ........
Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………… .........
MỞ ĐẦU………………………………………………………………… .........
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ………………… .......
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều ………. ..........
1.1.1. Giới thiệu chung ……………………………………………… .........
1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ............
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ………. ..........
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ………………..........
1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất ……. ..........
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………………….. ........
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp ………………………………………….. ........
1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ …………………………………………..........
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng ………………… ........
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………………………. ........
CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ
CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ……………… .............
2.1. Đặt vấn đề ………………………………………............................ ........
2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ
dùng chỉnh lƣu PWM ………………………………………. .....................
2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………………………. ..........
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……………………… ........
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha ……… ..........
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  . .........
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q …… ........

2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM …………………………. ........
2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……………….. .........
2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……………………. ...........
2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ………………………. ...........
2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………………….. ........
2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ……………………………. ........
2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………………………… ........
2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………. ...................
2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện
áp..................................................................................................... .............
2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
3
5
7
7
11
13
13
13
14
15
15
16
16
19
25

25
27
29
29
30
33
34
35
36
37
38
39
39
39
41
41
42
46
47



dựa vào dòng điện (VOC) …………………………… ................... 47
2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ……………. ......... 49
2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công
suất DPC …………………………………………………… ................ 50
2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp …………………….. ......... 52
2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ………………… ........ 53
2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lƣu PWM ………………………………………………. ................. 54

2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………………………. ........ 55
2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt .................................... 57
2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………………………………......... 58
CHƢƠNG 3 - NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ………....................................................... 60
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba 60
pha................................................................................................ ......................
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha ………………
60
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi ………………….. ........ 69
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha
bất kỳ ………………………………………………………... .................. 81
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha ………………
82
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha ………………
83
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hƣớng từ
trƣờng trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (hệ tọa độ MT) ....................... 83
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector ……………. ........... 85
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng của động cơ không đồng
bộ............................................................................................................. 86
3.2.2. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……………… ........ 87
3.2.3. Phƣơng trình cơ bản điều khiển vector ……………………….. ........ 88
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor ……………………………. ........... 89
3.3. Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK ……………………………. ......... 91
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK.............................. 91
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐK …. ............ 91
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………………….. ........ 92
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng nguyên lý điều khiển vector ..... 94

CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA..................... ............... 97
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM……………….. .......... 97
4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM …………........... 97
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM ……………………… ......... 99
4.2. Mô phỏng hệ truyền động Biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha .. 100
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab .. 100
4.2.2. Kết quả mô phỏng ……………………………………………. ......... 103

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

6

Kết luận và kiến nghị ................................................................... ...................... 107
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... ......... 108







l
1
2
A

B
C
a
b
c
M2
T2
M1
T2

L
L
L
Ld
Lq
cos
C
ĐK
DPC
f
FOC
i(t), i
iA, iB, iC
ia, ib, ic
idc

IL
iLa,b,c

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Góc pha của vector chuẩn
Góc lệch giữa trục cuộn dây rotor và stator pha A
Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM
Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM
Góc pha giữa dòng điện và áp, góc lệch giữa trục M và trục 
Tần số góc của điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ
Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho bộ chỉnh lƣu
Tốc độ góc của từ thông stator so với stator
Tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor
Từ thông stator pha A
Từ thông stator pha B
Từ thông stator pha C
Từ thông rotor pha A
Từ thông rotor pha B
Từ thông rotor pha C
Thành phần trục M (d) của vector từ thông rotor
Thành phần trục T (q) của vector từ thông rotor
Thành phần trục M (d) của vector từ thông stator
Thành phần trục T (q) của vector từ thông stator
Vector từ thông ảo
Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -
Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -
Thành phần trục d của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
Hệ số công suất cơ bản
Tụ điện
Động cơ không đồng bộ ba pha
Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)
Tần số
Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control)

Giá trị dòng điện tức thời
Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator
Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor
Giá trị dòng điện một chiều
Vector dòng điện lƣới
Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



iL
iL
iLd
iLq
iM1
iT1
I
j
J
Lm1
Lt1, Lt2
M
Mc
Mđt
Mđm
Mmax
np
P
p(t), p

Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ -
Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ -
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục M (d) của vector dòng stator động cơ
Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ
Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ
Đơn vị ảo
Mô men quán tính
Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động cơ
Điện cảm tản cuộn dây stator và rotor
Mô men, mô men động cơ
Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)
Mô men điện từ động cơ
Mô men định mức
Mô men cực đại
Số đôi cực từ của động cơ
Công suất tác dụng
Công suất tác dụng tức thời

PWM
q(t), q
Q
R
s
S
Sa,Sb,Sc
t
T

Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)
Công suất phản kháng tức thời
Công suất phản kháng
Điện trở
Toán tử Laplace
Công suất biểu kiến
Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
Giá trị thời gian tức thời
Chu kỳ
Vector điện áp đặt vào động cơ
Sóng hài bậc nhất điện áp đầu ra khối nghịch lƣu của biến tần
Thành phần trục M của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
Thành phần trục T của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
Vector điện áp lƣới
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM
Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục

U
U1
uM1
uT1

UL

uL
uL
uLd
uLq

Us
us

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

us
usd
usq
Udc
Va, b, c
VFOC
VOC
W, Wđt
4Q

8

toạ độ  - 
Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ  - 

Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
Điện áp một chiều
Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ
Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented
Control)
Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented Control)
Năng lƣợng, năng lƣợng điện từ
Bốn góc phần tƣ (viết tắt của Four (4) Quater)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector
………………………………………………………………………………..
57
Bảng B.2.2 : Sự tăng giảm p, q theo U…………………………………………....
58
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …………. ..........
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……………………………. ........
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin….………………………………………………………….. ..................
Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các
khâu trong biến tần trực tiếp………………………………….. .....................
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp…………………………………………. .........
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều……………. ........
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector…………………………………. ..............
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)…. ........
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều……… ........

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều………………… .................
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM………… .........
Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM………….. .........
Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………………….. ..........
Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.. ........
Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1
(nghịch lưu)……………………………………………………………….. ........ .
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ………………………………………. ........................
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM……………. .........
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
17
18
18
20
21
24
25
26
26
30
31
31
31
31
32
33

Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ  và d-q…………………………………………………………….....................
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba
pha………………………………………………………………………….. ........
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ - …………. ........
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q…………. .........
Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM …………………………... .........
Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….. ........
Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………………. .........
Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM…………………………………………………………………… ..............
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM …………………………………………………………… ........
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………………….. ........
Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM…………………. ........
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu
PWM với các phương pháp điều khiển ………………………………… .......
Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ……………….
Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC…………………………………………………………………………
Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VFOC………………………………………………………………………..........
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……………….. ........
Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………………….. ........
Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L ……………………………. .......
Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ………………………… ........
Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………………. .........
Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC………… .......

Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………………………………… .........
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ ....
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ
không đồng bộ nhiều biến …………………………………………… ............
Hình 3.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha …………………. ......... .
Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích
từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù ………………………… ................ .
Hình 3.5: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều……………………. ....... .
Hình 3.6: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức
từ động cuộn dây ………………………………………………. .................... .
Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian
sức từ động …………………………………………………………. ................
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ: 3/2) Biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

34
35
37
38
39
40
41
43
44
45
46
47
48

49
50
51
52
53
55
56
57
59
61
61
62
69
71
74
78




11

9

đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc giữa trục M và
MỞ ĐẦU
trục  (trục A)………………………………………………… ........................ 86
Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………... ........ 87
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định

hướng từ trường …………………………………………………….. ............... 90
Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK…………… .......... 91
động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ ba pha……. .................... 92
và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………….......... 93
bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã
Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông
giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu. Tuy nhiên các bộ biến
rotor……………………………………………………………………….. .......... 96
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC ………………………………………………………………………...
98
tần hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện
Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo
công nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động
phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 ........... ....... 98
Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 ............... ......... 99
bộ biến tần-động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái
Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC .. ......... 99
sinh. Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC ........................................................................................... ................ 99
cầu kỹ thuật cấp bách.
Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn ......................................... ............... 100
2. Mục đích nghiên cứu
Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động

trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn ...................................................... ........ 100
Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f = fđm ................. ........ 101
cơ xoay chiều cho phép động cơ có thể làm việc được ở cả bốn góc phần tư và cải
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không
thiện chất lượng dòng điện qua lưới
đồng bộ ba pha ....................................................................... ................... 102
Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
(khối “INVERTER” trên mô hình hình 4.9 .............................. ................. 102
Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.9 ............. ......... 103
Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Xây
Hình 4.12: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải để chuyển chế
độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ là 100 rad/s…………. .......................... 104
dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động cơ
Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải của động cơ khi khởi động và khi chuyển
xoay chiều không đồng bộ ba pha. Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả
động cơ sang trạng thái hãm tái sinh ở chế độ tốc độ ổn định (tại
t=1s)…………………………………………………………….. ....................... 104
phân tích, tính toán lý thuyết.
Hình 4.14: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyển chế độ làm
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái
sinh………………………………………………………………………. ............ 105
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động.
Hình 4.15: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100 105
Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao
rad/s xuống 80 rad/s ……………………………………..…………................
Hình 4.16: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
hơn các hệ thống hiện có.

sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) 106
5. Kết cấu của luận văn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên






13

12

Chương 1

Luận án bao gồm 4 chương:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần-động cơ xoay
chiều.

BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực PWM phục vụ cho biến tần bốn góc
phần tư.

1.1.1. Giới thiệu chung

Các hệ thống truyền động điện đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác

Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện biến
tần 4Q - động cơ không đồng bộ ba pha.

nhau, chúng đƣợc dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong
thế kỷ XIX đã lần lƣợt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay

Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ

chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20%

ba pha.

truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều

Kết luận và kiến nghị

này hầu nhƣ đã đƣợc thế giới coi nhƣ là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phƣơng án
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã đƣợc phát minh và đƣa vào ứng dụng
khá sớm, nhƣng chất lƣợng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện
một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ
khan hiếm dầu mỏ, các nƣớc công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con
đƣờng tiết kiệm nguồn năng lƣợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80
hƣớng nghiên cứu ấy đã đạt đƣợc thành tựu lớn, và đã đƣợc coi là bƣớc đột phá thần
kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có
trào lƣu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều

chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không
đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có
động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều đồng bộ
có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thƣờng là loại cực ẩn) và động cơ kích từ
bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm
nhất định và các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

15
3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không

1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tin cậy
và giá thành rẻ nhất. Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều
phƣơng pháp, chẳng hạn nhƣ (1) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp giảm điện áp đặt
vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng bộ ly hợp
trƣợt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn
dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (4) điều chỉnh tốc độ bằng
phƣơng pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng

phƣơng pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số
nhờ bộ biến đổi tần số (phƣơng pháp biến tần); v.v...
Dựa vào cách xử lý công suất trƣợt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc

tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu
nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phƣơng pháp
điều tốc thay đổi số đôi cực và phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại này. Phƣơng
pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều
chỉnh hẹp, ít dùng. Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất vì nó
cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng đƣợc các hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lƣợng cao, có thể thay thế hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều
tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công
suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW).
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

độ động cơ không đồng bộ đƣợc phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công suất

Động cơ đồng bộ, nhƣ đã giới thiệu, chủ yếu có 2 loại là động cơ kích từ bằng

trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay

nam châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Đối với động cơ điện đồng bộ chủ

đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này đƣợc tăng lên theo thứ tự trên.

yếu dùng kiểu điều tốc biến tần.

1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển

Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử

thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc

dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ nhƣ điều khiển các chuyển động của rô bốt.

về loại này. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn

Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất lớn,

thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ

công suất có thể đến hàng chục MW, đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền động

càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản

nhƣ máy bơm, quạt gió, nén khí, truyền động cho lò trong công nghệ sản xuất xi

nhất, vì thế nó vẫn đƣợc dùng trong một số trƣờng hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu

măng,…

trục.

1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều
2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ

đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả về lƣới điện xoay

và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lƣợng của hệ

chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ

thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền

quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) đã kể

động, vào hƣớng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến

trên là thuộc loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại

tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần đƣợc chia làm hai nhóm: các bộ biến tần

hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch

là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trƣớc

lƣu nên lại phải tiêu hao một phần công suất.

đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lƣợng điện áp đầu ra thấp nên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16

17

thƣờng dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất đƣợc đặt lên hàng đầu.

1.2. SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng

1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp ra cao, giảm ảnh hƣởng
xấu đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng đƣợc mở rộng. Đƣợc ứng
dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp,
các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phƣơng pháp khác nhau: điều chế
độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số

Cấu trúc của thiết bị biến

AC

tần trực tiếp nhƣ trên hình 1.1.

AC
Biến tần
xoay chiều xoay chiều

~3
Bộ biến đổi này chỉ dùng một U1, f1
khâu biến đổi là có thể biến đổi

~3
U 2 , f2

Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp
(xoay chiều - xoay chiều)

nguồn điện xoay chiều có điện
áp và tần số không đổi thành

theo qui luật U1/1 = const dễ thực hiện nhất, đƣờng đặc tính cơ biến tần của nó về cơ

điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh đƣợc. Do quá trình biến đổi không

bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc

phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn đƣợc gọi là bộ biến

thông thƣờng, nhƣng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn

đổi sóng cố định (Cycloconverter).

dây ảnh hƣởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt
điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ 1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp
thông dụng với U1/ 1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở
không khí không đổi ( m = const), từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc ở trạng thái

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc
song song ngƣợc hai sơ đồ
chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2).
Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận

Sơ đồ
chỉnh lƣu
 3 thuËn

ổn định. Nhƣng đƣờng đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen

ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều f1, U1

quay vẫn bị hạn chế.

khiển làm việc theo chu kỳ

Sơ đồ chỉnh
lƣu ngƣợc
Tải

3
f 1 , U1

Hệ thống truyền động điều khiển Er/1 = const có thể nhận đƣợc đƣờng đặc tính

nhất định. Trên phụ tải sẽ

cơ tuyến tính giống nhƣ ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực

nhận đƣợc điện áp ra xoay

hiện điều tốc với chất lƣợng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor

chiều ut. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển , còn tần số của nó phụ thuộc

rm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận đƣợc Er/1 = const. Trong trạng thái

vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc

ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ 1 = const là mục đích của điều tốc

song song ngƣợc. Nếu góc điều khiển  không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra

biến tần điều khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp.

có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận đƣợc điện áp đầu

Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ

ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi

trƣờng động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên

sơ đồ chỉnh lƣu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn

bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ

ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển  từ /2

cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của

(ứng với điện áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là

họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển

cực đại), sau đó lại tăng dần  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ

vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.

chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18

19

/2  0  /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 2.3. Trong

chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu có điều

đó, tại điểm A có  = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C,

khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt.

D, E góc  tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  =

Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp

/2 điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình

nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng

vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp ra

không vƣợt quá 1/3  1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), nếu không, đồ

cũng tƣơng tự nhƣ thế.

thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc bình thƣờng của hệ thống
điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống,

Trên đây đã
phân tích đầu ra một

=/2
=/2

Điện áp đầu ra

=0

Điện áp trung bình đầu ra

phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp

=/2

nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần

pha biến tần xoay

tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, ....

chiều - xoay chiều

những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp

(trực tiếp), đối với

có thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song

phụ tải ba pha, hai
pha khác cũng dùng
mạch điện đảo chiều
mắc

song

mới thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay
chiều-xoay chiều hình sin

song

ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ
đồ chỉnh lƣu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới
36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng
phải dùng tới 18 tiristor. Vì

u, i

tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng

t

lƣợng linh kiện lại tăng lên

thiết bị của bộ biến đổi có
đảo dòng thƣờng dùng trong

dùng động cơ công suất đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy
công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích
điện áp và dòng điện của biến tần dƣơng, biến tần lấy công suất từ lƣới cung cấp cho

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở

rất nhiều, kích thƣớc tổng

thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ

điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống

nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lƣới.

i

một khâu biến đổi, nhƣng số

tăng lên rất lớn. Do những

điện áp ra thấp, nhƣng có ƣu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp,

tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm

u

vậy thiết bị biến tần trực tiếp

nhƣợc điểm là số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lƣợng

đầu ra và hiệu suất cao, nhƣng có một số nhƣợc điểm sau:
Sơ đồ
chỉnh
ngƣợc ở
chế độ
nghịch
l-u

Sơ đồ chỉnh
thuận ở chế
độ chỉnh lƣu

Sơ đồ
chỉnh
thuận ở
chế độ
nghịch
lƣu

+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp
Sơ đồ chỉnh
ngƣợc ở chế
độ chỉnh lƣu

lƣới.
+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các
hệ thống điều tốc một chiều
chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp
có đảo chiều nên quá trình

khá lớn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.



20

21

+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác đƣợc đƣa ra để nâng
cao chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp.
Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhƣợc điểm của bộ biến tần trực tiếp
ở trên.
Bộ biến tần gián tiếp có
khâu trung gian một chiều có thể

Chỉnh lƣu

f1,U1

có các cấu trúc khác nhau, cấu
trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình
1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu



Lọc

+

=

Ud

C0

Nghịch lƣu

=

f2,U2



-

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp

3

Chỉnh lƣu

f1, U1

điều khiển

Lọc

chính: Chỉnh lƣu, lọc và nghịch lƣu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà

Nghịch lƣu

3
f2, U2

Nghịch lƣu

3
f2, U2

Nghịch lƣu
PWM

3
f2, U2

a

có thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lƣu có điều khiển, bộ biến tần dùng
chỉnh lƣu không điều khiển nhƣng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần
dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực hiện điều chế độ rộng xung

3
f1, U1

Chỉnh lƣu
không
điều khiển

Lọc 1

Bộ biến
đổi xung
điện áp

Lọc 2

(PWM).
b

A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần này có cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc
biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu

3
f1, U1

Chỉnh lƣu
không
điều khiển

Lọc

lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu,

c

khối nghịch lƣu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều

áp ra U2 đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc điều

a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor

chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc phối

b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp

hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản,

c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

dễ điều khiển nhƣng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử
dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm
thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra)
thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay
chiều đầu ra thƣờng có biên độ khá lớn. Đây là nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến
tần này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



B. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với bộ
biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối
nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22

23

Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lƣu sử

Năm 1964 A. Schönung và một số đồng nghiệp ngƣời Đức đã đƣa ra ý tƣởng

dụng bộ chỉnh lƣu điôt không điều khiển. Khối nghịch lƣu chỉ có nhiệm vụ biến đổi

biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông

điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh đƣợc mà không có khả năng

tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần. Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này

điều chỉnh điện áp ra của nghịch lƣu nên giữa khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu bố trí thêm

về cơ bản đã giải quyết đƣợc vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thông thƣờng dùng

bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho

tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện

nghịch lƣu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều

xoay chiều cận đại. Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này

đầu ra nghịch lƣu U2. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chƣa kể phải

vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lƣu

thêm khâu lọc) nhƣng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục đƣợc nhƣợc điểm

chỉ cần là chỉnh lƣu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc

của bộ biến tần thứ nhất trên hình 1.6a. Khối nghịch lƣu đầu ra không thay đổi nên vẫn

L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lƣu, linh

tồn tại nhƣợc điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn.

kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lƣu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và

C. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

đƣợc điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình

Nhƣ trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phƣơng pháp
điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor
thì việc điều chỉnh điện áp và tần số đƣợc thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số
ở khâu nghịch lƣu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lƣu, điều này đã kéo
theo một loạt vấn đề. Các vấn đề đó là:
(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển đƣợc, nghĩa là khá phức tạp;
(2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán
tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thƣờng bị chậm trễ;

(3) Do bộ chỉnh lƣu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung
cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ
điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn;
(4) Đầu ra của bộ nghịch lƣu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo
ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn
ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy các
thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng
đƣợc những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự xuất hiện
các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, ...) cùng với sự phát

chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phƣơng pháp điều khiển quy luật phân bố thời
gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là phƣơng pháp điều chế độ rộng
xung. ở đây, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật có thể điều
chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lƣu, đáp ứng yêu cầu phối
hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần.
Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :
(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển đƣợc, đơn giản hoá
cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra
bộ nghịch lƣu và tiến gần đến 1;
(2) Bộ nghịch lƣu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến
tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng
thái động của hệ thống;
(3) Có thể nhận đƣợc đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ đƣợc
sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần nhƣ hình sin,
biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ
thống truyền động.
D. Biến tần điều khiển vector

triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra đƣợc các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




24

25

Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến

đồng bộ với từ trƣờng stator của động cơ và thƣờng chọn trục d trùng với vector từ

việc xuất hiện nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một

thông rotor (điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor). Thông qua phép biến đổi tọa

bƣớc chất lƣợng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phƣơng pháp

độ không gian vector, các đại lƣợng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành

điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động

đại lƣợng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ

cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thể cho phép điều

truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đó, các đại lƣợng

chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lƣợng dòng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã

một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đƣợc biến đổi thành đại lƣợng xoạy chiều ba

đƣợc mở rộng nhƣng mô men cực đại bị giới hạn và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu cao

pha qua phép biến đổi ngƣợc tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các

về chất lƣợng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc vòng kín dùng

van nghịch lƣu. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều đƣợc thực

biến tần gián tiếp SPWM, nhƣ là hệ điều tốc điều khiển tần số trƣợt chẳng hạn, đã cải

hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor cho phép

thiện đáng kể chất lƣợng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo đƣợc đặc

có thể duy trì đƣợc từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản),

tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lƣợng

thực hiện đƣợc quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều

động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt đƣợc nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ

không đồng bộ trong hệ có dạng nhƣ đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải

một chiều.

mô men rất lớn).

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động
cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa ra

1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường

vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do
P.C. Custman và A. A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua
nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector
mà ngày nay đƣợc ứng dụng rất phổ biến.

3

Chỉnh lƣu

f1, U1

điều khiển

Các bộ biến tần có cấu trúc đƣợc mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ƣu
nhƣợc điểm đã đƣợc giới thiệu trong mục trƣớc còn tồn tại một số nhƣợc điểm cơ bản
sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới có biên độ khá lớn làm méo dạng đƣờng
cong điện áp lƣới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc

Lọc

Nghịch lƣu
điều khiển
vector

biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện đƣợc quá trình biến đổi
3
f2, U2

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector

năng lƣợng từ phía tải (động cơ) đƣa trả lại lƣới điện xoay chiều nên ảnh hƣởng đến
chất lƣợng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Để giảm nhỏ biên độ
hoặc loại bỏ một số sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới xoay chiều có thể sử dụng
các sơ đồ chỉnh lƣu liên hợp hoặc các khâu lọc nhƣ hình 1.8. Khâu lọc đƣợc thiết lập

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lƣu điều khiển vector

thành nhóm mạch LC cộng hƣởng nối tiếp (lọc thụ động), nó sẽ dập tắt các dòng điện

(biến tần vector) đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.7. Về cơ bản các thiết bị phần lực của

điều hoà bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc dải rộng (hình 1.8

biến tần này hoàn toàn tƣơng tự nhƣ của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ

b).

khác là việc điều khiển khối nghịch lƣu áp dụng phƣơng pháp điều khiển vector. Trong
biến tần điều khiển vector, ngƣời ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các
vector dòng, áp, từ thông động cơ từ hệ ba a-b-c pha sang hệ hai pha quay d-q, quay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




26

27

A

υ = 5 ÷ 13

B

υ=5 7

11

13

>17

a)

b)

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)

C

+

Chỉnh lƣu

_
ĐK

+

Để tăng hệ số công suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngoài
việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sóng hài bậc cao (sóng hài bậc cao cũng là một

Nghịnh lƣu

Nghịnh lƣu để
hãm tái sinh

yếu tố làm suy giảm hệ số công suất của bộ chỉnh lƣu), có thể phải bố trí thêm các

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ
chỉnh lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều

thiết bị bù công suất phản kháng.
Về mặt nguyên tắc, công suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ
truyền động) có thể đƣợc tiêu tán trên trên trở trong mạch một chiều nhờ khóa đóng
cắt có điều khiển hoặc có thể biến đổi thành điện năng xoay chiều và trả lại lƣới điện

cung cấp xoay chiều.

Khi sử dụng chỉnh lƣu thyristor, có thể thực hiện việc biến đổi năng lƣợng để
chuyển trả về lƣới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngƣợc với sơ đồ chỉnh
lƣu một bộ chỉnh lƣu tƣơng tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu (hình 1.10).
Quá trình biến đổi năng lƣợng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm việc ở

Chỉnh lƣu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lƣợng đi theo một chiều duy nhất. Vì

chế độ hãm diễn ra nhƣ sau: năng lƣợng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động năng

vậy, năng lƣợng từ động cơ không thể trả về lƣới mà chỉ có thể bị tiêu hao trên các

tích lũy đƣợc của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) đƣợc biến đổi thàng

điện trở (Rh) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình

năng lƣợng điện trong các cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lƣu của biến tần làm

1.9). Trong trƣờng hợp công suất lớn thì đòi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dòng điện lớn,

việc ở chế độ chỉnh lƣu đƣợc chuyển thành năng lƣợng điện một chiều, sau khi qua bộ

khó khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tƣ. Mặt khác việc sử dụng điện trở hãm

nghịch lƣu thyristor đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện xoay chiều và đƣợc chuyển

để tiêu tán năng lƣợng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống.

vào lƣới điện xoay chiều.

A

1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q)

B

Cl

ĐK

Các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện
nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch

C
Chỉnh lƣu

Nghịnh lƣu

Tr

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

để giải phóng năng lƣợng dƣ của động cơ còn tồn tại những vấn đề nhƣ: hệ thống cồng
kềnh, đầu tƣ lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó

Rh


Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




28

29

khăn. Với chỉnh lƣu diode chỉ cho phép năng lƣợng chảy theo một chiều và không điều

chiều từ phía lƣới thành năng lƣợng điện một chiều cấp cho khối nghịch lƣu, còn sơ đồ

khiển đƣợc. Sự thay đổi của năng lƣợng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi

kia sẽ đƣợc điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu khi cần biến đổi năng lƣợng điện

của điện áp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng lƣợng cần đƣợc điều khiển.

từ phía một chiều (năng lƣợng từ động cơ đƣợc khối nghịch lƣu làm việc ở chế độ

Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là

chỉnh lƣu chuyển sang) thành năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣợng điện xaoy

việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lƣu thyristor có thể điều

chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lƣu rất cồng kềnh, dòng điện qua

khiển đƣợc dòng năng lƣợng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor.

lƣới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều

Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lƣợng từ một chiều sang xoay

chỉnh sâu. Nhƣ vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra đƣợc một khối

chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lƣu. Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến

chỉnh lƣu có các ƣu điểm:

đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến

- Giảm đƣợc biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lƣới.

đổi làm việc ở chế độ nghịch lƣu và năng lƣợng từ phía một chiều đƣợc chuyển về lƣới

- Hệ số cos cao.

xoay chiều. Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lƣu bằng thyristor mắc

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều.

song ngƣợc với bộ chỉnh lƣu, ngoài nhƣợc điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên [3], [11], [12].

có thêm nhƣợc điểm là dòng điện qua lƣới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh

Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu tích cực

hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng và làm giảm hệ số công suất. Mặt khác nhiều hệ

PWM.

thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lƣợng động, ví dụ nhƣ độ tác động
nhanh cao, khi đó yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt.
Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động cơ
trong hệ thống phải làm việc đƣợc ở cả bốn góc phần tƣ, tức là ngoài chế độ động cơ
ra thì phải làm việc đƣợc ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc đƣợc ở chế độ
hãm tái sinh. Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tƣ thì thì yêu cầu bộ biến tần
phải có khả năng thực hiện trao đổi đƣợc năng lƣợng hai chiều. Các bộ biến tần nhƣ
vậy đƣợc gọi là biến tần bốn góc phần tƣ. Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau
đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần
tƣ. Khối nghịch lƣu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin
(SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, …, đều có thể thực hiện trao đổi công suất
hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngƣợc lại. Nhƣ vậy, để bộ biến tần có thể
thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lƣu cũng phải có
khả năng trao đổi công suất hai chiều. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có
thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lƣu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngƣợc,
một sơ đồ đƣợc dùng để chỉnh lƣu khi cần thực hiện biến đổi năng lƣợng điện xoay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

29

30

Chương 2

2.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ SỬ DỤNG

BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM
Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lƣu điôt hoặc tiristor có ba nhƣợc điểm:

CHỈNH LƯU TÍCH CỰC PWM

không thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lƣới (tức là chỉ làm việc đƣợc ở hai

2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

góc phần tƣ), dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao ảnh hƣởng xấu đến

Nhƣ đã phân tích trong chƣơng trƣớc, để động cơ trong hệ truyền động điện
biến tần - động cơ xoay chiều làm việc đƣợc ở chế độ hãm tái sinh (yêu cầu bắt
buộc của biến tần bốn góc phần tƣ) là phải chuyển đổi đƣợc năng lƣợng từ phía
động cơ thành năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣới điện. Để thực hiện vấn đề này
có nhiều hƣớng giải quyết, nhƣng phƣơng pháp có ƣu điểm nổi bật là sử dụng bộ
biến tần với khâu biến đổi điện áp xoay chiều của lƣới điện thành điện áp một chiều
dùng chỉnh lƣu tích cực PWM. Biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM có
một số ƣu điểm nhƣ: có khả năng ổn định đƣợc điện áp một chiều cấp cho khâu

lƣới điện xoay chiều và hệ số công suất cos thấp khi sử dụng chỉnh lƣu điều khiển.
Biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đã khắc phục cả ba vấn đề tồn tại trên. Nó có
thể làm việc cả ở bốn góc phần tƣ, có khả năng trao đổi công suất giữa tải và lƣới
theo hai chiều. Dòng đầu vào có dạng rất gần hình sin và hệ số công suất có thể điều
chỉnh bằng 1.
Sơ đồ nguyên lý phần lực của biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày
trên hình 2.1.

nghịch lƣu của biến tần; đảm bảo khả năng trao đổi công suất hai chiều giữa nguồn
và tải; cho phép động cơ làm việc đƣợc ở các chế độ hãm khác nhau, mà đặc biệt là
hãm tái sinh, nên động cơ có thể làm việc trên cả bốn góc phần tƣ của hệ tọa độ;

uL

dòng qua lƣới có dạng rất gần hình sin; có khả năng điều khiển đƣợc hệ số công
suất cos của hệ thống truyền động, nhƣ vây có thể điều khiển cho cos =1. Bộ
ĐK

biến tần gián tiếp có khâu trung một chiều gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lƣu và
nghịch lƣu. Phần nghịch lƣu đã có nhiều kết quả nghiên cứu đƣợc áp dụng rất tốt
trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân tích phần nghịch lƣu
mà thực hiện lựa chọn loại nghịch đƣợc áp dụng phổ biến trong truyền động động

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM

cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lƣu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép

Sơ đồ trên bao gồm hai khối chỉnh lƣu (CLPWM) và nghịch lƣu (NL) có cấu

trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều. Nhƣ vậy,

tạo nhƣ nhau và có chung mạch một chiều, vì vậy thƣờng gọi là sơ đồ “dựa lƣng

khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ

vào nhau” (back to back). Ngoài ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp

còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lƣu, vì thế, nội dung cơ bản của

xoay chiều) có lắp thêm cuộn cảm L.

chƣơng này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng

Để có chế độ làm việc bốn góc phần tƣ đảm bảo công suất trao đổi hai chiều

của chỉnh lƣu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc

giữa lƣới và tải, dòng điện chỉnh lƣu Id phải thay đổi đƣợc dấu. Ta gọi Id có dấu “+”

ở bốn góc phần tƣ.

khi nó có chiều hƣớng về tải và ngƣợc lại có dấu “-” khi chiều của nó hƣớng về lƣới.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

31

32

Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lƣới
về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lƣới Pd = Ud.Id < 0

Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đó, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều,
Us là điện áp tải (mạch một chiều - nghịch lƣu - động cơ xoay chiều ) đƣợc quy đổi

Để thực hiện đƣợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:

về nguồn xoay chiều (điểm a). Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b.

- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.

Nếu điều khiển chỉnh lƣu PWM để vector dòng điện I L trùng pha với vector điện

- Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh

áp lƣới UL thì cos =1 và công suất Pd > 0. Khi vector dòng điện I L ngƣợc pha với







lƣu tự nhiên từ lƣới.



vector UL thì cos =-1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh). Nhƣ vậy,

LL

RR


IL
iL

sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi

UULL



công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có thể điều chỉnh đƣợc giá trị

UUsS

hệ số công suất cos bằng 1.

jLI

ULL

U

jLIL

UsS
U

IILL
b

a

Im

IR
RI
L

U 3(010)

RIL

U 2(110)

IR

IILL

US

U
ULL


>0

US
Us

c

U 4(011)

jLIjLLI

jLI
L
jLI

I


<0

ILL
IR

RIL

Re

U 1(100)

UULL

d

U 5(001)
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector

U 6(101)

a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển
sù chuyÓn m¹ch c¸c kho¸ b¸n dÉn Sa, Sb, Sc

b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu
c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1
d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1 (nghịch lưu)

Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ngƣời ta dùng phƣơng pháp
biến điệu vector không gian theo nhƣ nghịch lƣu (SVPWM). Khi xem ba cặp IGBT

- Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngƣợc kết hợp với tụ điện C và

(hình 2.1) nhƣ là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khóa có hai trạng thái đó

các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hƣởng LC tạo nên điện

ng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1, U 2, U3, U4, U5, U6 (hình

áp một chiều Udc > Ud0.

2.3a) và hai trạng thái không là U0 (000) và U7 (111). Các trạng thái đóng cắt trình

Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lƣu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một

bày trên hình 2.3b.

pha và đồ thị vector nhƣ trên hình 2.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




33

B

Sc=0

A

Sb=1

Udc

k=1 U2
Sa=1

Sc=0

Sb=0

Sa=1

A

C

d

+

k=0 U1

B

34

C

+

C

B

A

Sc=1

Sb=1

Udc

+

k=3 U4
Sa=0

Sc=0

Sb=1

Sa=0

A

B

B

Sc=1

A

Sb=0

Udc

C

+
B

-

C

Sc=1

A

Sb=1

Udc

Lt
iq

a


Udc

+

U7
Sa=1

C

Sc=0

B

Sb=0

Sa=0

A



-

U0



Udc

+

k=5 U6
Sa=1

C

id

iL

-

+

Sc=1

B

Sb=0

Sa=0

A

us

C

k=4 U5



q

-

k=2 U3

u1=LiL

uL

b

c



c
Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM
trong hệ toạ độ - và d-q

Udc

-

Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM

2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM
Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lƣu (a , b , c)

2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM
Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lƣu PWM có thể biểu diễn trên

tọa độ cố định -  và tọa độ quay d - q bằng phƣơng pháp biến đổi tuyến tính
không gian vector [3], [11], [12]. Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số

(2.2)

U sa  f a U dc 

U sb  f b U dc 
U sc  f c U dc 

(2.3)

Điện áp pha

công nghiệp không đổi  1 = 2f1, khi đó:
ia + ib + ic = 0

Usab  (Sa  S b )U dc 

U sab  (Sb  S c )U dc 
Usab  (Sc  Sa )U dc 

(2.1)

Đồ thị vector điện áp, dòng điện của chỉnh lƣu PWM trên các hệ tọa độ cố
định - và hệ toạ độ quay d-q đƣợc biểu diễn trên hình 2.4
Trong đó:

fa 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2Sa  (Sb  Sc )
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




35

fb 

2Sb  (Sa  Sc )
3

fc 

2Sc  (Sa  Sb )
3

36

Ua

ia Usa
d
U b  R i b  L i b  Usb

dt
Uc
ic
ic Usc

C

2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha
i
+

1

-

R+pL

u sa

Sa

u

S

b

+

1

-

R+pL

usb

+

b

+

1

u

dc

pC

-

2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  - 

U L
i L
d i L U s
R
L


U L
i L
dt i L U s
+

(2.6)

Phƣơng trình điện áp CLPWM trong tọa độ cố định  - :

-

ib

f

b

+

dUc
 Sa ia  Sbi b  Scic
dt

Cấu trúc mô hình đƣợc trình bày trên hình 2.5

dc

ia

fa

(2.5)

Phƣơng trình dòng điện:

Với fa , fb , fc lấy giá trị 0 , 1/3 và 2/3

ua

ia

+

(2.7)

Phƣơng trình dòng điện:

+ + +

1

+

3

C

dUc
 (i LS  i LS )  i dc

dt

(2.8)

Trong đó:
uc

+
-

ia

1

usc

R+pL
fc

Sc

S 

+

1
1
(2Sa  Sb  Sc ); S 
(Sb  Sc )


2

Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ  -  đƣợc trình bày trên

-

hình 2.6

Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha
Ta có phƣơng trình điện áp:

U L  R.IL  L.

dIL
 Us
dt

(2.4)

Viết dạng 3 pha:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

37

38
i

+

uL 

1

-

iL 

R+pL

dc

+
+

-

1

u dc

idc

us

S

Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.7.

pC

+

uLd

1

+

-

iLd

R+pL

+

usd

S

us

+

udc

pC

Sd

+

u L

1

-

-

1

iL 

 L

R+pL

 L

Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ -

Sq
usq

2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d - q

-

uLq
Ta có phƣơng trình điện áp:

di Ld

 Li Lq  Usd 

dt

di Lq
L
 Li Ld  Usq 

dt


U Ld  Ri Ld  L
U Lq  Ri Lq

(2.9)

dUc
 (i LdSd  i LqSq )  i dc

dt

R+pL

iLq

Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh lƣu PWM đƣợc tính
trên tọa độ a , b , c và  - 
(2.10)

Sd  S cos t  S sin t

 
u.i  




1
(u bci a  u ca i b  u abi c )  u i   u i 
3


p  R e u.i*  u a i a  u bi b  u ci c  u i   u i
q  Im

Trong đó:

*

(2.11)

Trên tọa độ d - q

Sq  S cos t  S sin t

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lưu PWM

Phƣơng trình dòng điện:

C

+

+

3

p  (U Lqi Lq  U Ldi Ld )  U m I m 
2


q  (U Lqi Lq  U Ldi Ld )


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(2.12)




39

40

Nếu ta chọn trục d trùng với trục điện áp UL và điều khiển IL trùng với UL thì
ta có:

Từ phƣơng trình (2.14) ta thấy điện áp trên điện cảm sẽ thay đổi khi vector
dòng điện I L biến động. Ta có 8 vector điện áp U0, U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7. Định

i Lq  0, U Lq  0, U Ld 

3
3
U m , i Ld 
Im , q  0
2
2

nghĩa điện áp tự cảm L

Đồ thị vector điện áp đƣợc vẽ trên hình 2.8

di
tƣơng ứng là Up0, Up1, Up2, Up3, Up4, Up5, Up6, Up7. Biểu
dt
q

q

u

u1



6

p(+)
p(-)
iL

d

uL
u



q(-)

5

d

UL

u

q(+)

2

jLI L

IL
Us


u3

Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM

u4

Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM

2.4. PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƢU PWM

diễn giới hạn làm việc của điện áp trên điện cảm bằng đồ thị vector hình 2.9a, b.

2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều
Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa

Nếu bộ điều chỉnh dòng điện giữ đƣợc biến động của I L xung quanh dòng

(2.13)

điện đặt I L đặt. Gọi góc  là góc biến động lớn nhất của hai vector Up1 và Up2 ta có

Thông thƣờng chọn điện áp một chiều ở giá trị Udc = (1,12  1,3 )Ud0

<

2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm

Trên đồ thị hình 2.9 chỉ ra nếu  =  thì

Nếu ta biểu diễn điện áp chỉnh lƣu PWM trên tọa độ d-q ta có phƣơng trình
cân bằng điện áp:

L

dILdq
 U Ldq  jLI Ldq  Usdq
dt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

U Ldq  jLi Ldq 

3
Usdq
2

(2.15)

(2.14)



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




41

42

q
up6

vậy ngƣời ta thƣờng ƣớc lƣợng vector điện áp thông qua các thông số dòng điện và

up1

I*L

thông số trung gian. Một trong các phép ƣớc lƣợng đó là tính điện áp thông qua

d

dòng điện và công suất.

up5

IL

iL



up2

up0,7

Có thể thấy rằng khi sử dụng biến điệu vector không gian có hai trạng thái

up4

thông của các khóa Sa Sb Sc là (111) và (000), khi đó công suất tác dụng bằng 0 chỉ
tồn tại công suất phản kháng, cụ thể:

up3

di
di  
 di
p(t)  L  a i a  b i b  c i c   0 

dt
dt
dt  


3L  di a
di c 

q(t) 
i

i

0
c
a


dt 
3  dt

Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM
Giả thiết: Usdq 

2
Udc , U Ldq  U m ; i Ldq  i Ld
3

Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là

Udc  3  U

2

Từ 2.18 điện áp đƣợc tính

 (Li Ld ) 
2

m

(2.16)

U L

Phƣơng trình 2.16 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng

U L



tải và giá trị điện cảm. Từ đó xác định đƣợc giá trị điện cảm cực đại

L

2
U dc
U m2
3
i Ld

(2.18)

i  i 
L 0
1
 L

2
2

q
i L  i L
i L i L 

(2.19)

Giá trị góc tọa độ ,  của điện áp là
(2.17)

2.5. ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN

cos  U L

Cấu trúc và phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM dựa trên phép biến đổi
vector. Chỉnh lƣu PWM sử dụng hai đại lƣợng vector cơ bản là vector điện áp và
vector từ thông ảo. Từ các đại lƣợng đo đƣợc nhƣ dòng điện đầu vào, điện áp một
chiều và trạng thái đóng cắt các van, ta đi ƣớc lƣợng hai đại lƣợng vector cơ bản




U L  U L 

U L


U 2 L  U 2 L 

sin  UL 

U L

2

2

(2.20)

2.5.2. Ước lượng vector từ thông ảo
Nếu giả thiết chỉnh lƣu PWM có đầu vào là Udc , đầu ra là máy điện không
đồng bộ ảo, trong đó sức điện động động cơ là điện áp lƣới, điện trở, điện cảm là

trên.

thông số cuộn dây stator của động cơ ảo .

2.5.1. Ước lượng vector điện áp đầu vào
Có thể đo trực tiếp vector điện áp đầu vào, tuy vậy phép đo này bị ảnh hƣởng
rất lớn bởi sự không đối xứng các pha của điện áp lƣới điện, nhiễu lƣới v.v… Do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




43

44

Ta có thể định nghĩa vector từ thông móc vòng qua khe hở không khí của

Từ đại lƣợng vector từ thông ảo có thể biểu diễn nó trên hệ d - q, khi vector

động cơ ảo  L vector này có thể biểu diễn trên tọa độ  -  và d - q. Nếu bỏ qua

I L trùng UL và trục q, biểu đồ vector và sơ đồ mô tả dòng công suất của chỉnh lƣu

điện trở R vector  L sẽ vuông góc với UL . Mô hình động cơ ảo và đồ thị vector

PWM đƣợc biểu diễn trên hình 2.11a,b

đƣợc mô tả trên hình 2.10a, b.

Phía xoay
chiều
PWM Chỉnh luu

A

C
A

Ub
Uc

R

L

R

L

Udc

B
C

Phía xoay
chiều

Phía một
chiều

b)

Phía một chiều

Phía xoay chiều
L
R

Ua

Phía một
chiều

a)

A

B
C

Udc

B
C

Udc

TẢI

M

Động cơ ảo

q
ui

a)



q

uL

M

ui
us

iL us

L

q
us

L= 0

u1

0

s

uL

s
L

d

L= 180

i

i

d

0

iL

uL
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất

iq

L

của chỉnh lưu PWM

d

L=t
id
b)

Từ thông ảo đƣợc xác định qua vector đầu vào chỉnh lƣu PWM, US

di  

 L    Us  L L dt 
dt  


di L  

 L    Us  L
dt 
dt  




Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưư PWM

 L  s  i

(2.21)

Trong đó:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




45

46

2
1


U dc  Sa   Sb  Sc   
3
2



1

U s 
U dc (Sb  Sc )

2

di  

 L    Us  L L dt 
dt  


di 

 L    Us  L L dt 
dt  


U s 

(2.22)

 L  s  i

Sơ đồ cấu trúc nhận dạng vector từ thông ảo trình bày trên hình 2.12

Từ đại lƣợng vector từ thông ảo, có thể biểu diễn nó trên hệ toạ độ d-q, khi
vector I L trùng UL và trục q thì biểu đồ vector và sơ đồ mô tả dòng công suất của
chỉnh lƣu PWM đƣợc biểu diễn trên hình 2.11a,b.
1

T
uL

1

TN

+

-

-

iL

L

(2.22)

Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích
hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo.
Điều khiển dựa trên điện áp là ƣớc lƣợng điện áp lƣới và sẽ điều khiển bằng dòng

L

điện hay công suất.

-

Điện áp lƣới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là phƣơng pháp VOC (Voltage

L

Hình 2.15:
Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC

-

TN

2
1


U dc  Sa   Sb  Sc   
3
2



1

U s 
U dc (Sb  Sc )

2
U s 

chung nhƣng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng đƣợc phân loại dựa trên

+

1

Trong đó:

2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM

iL

uL

(2.21)

Oriented Control), còn theo công suất thì gọi là DPC (Direct Power Control).
Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM

1
T

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo

Điều khiển theo véc tơ
điện áp

Điều khiển theo véc tơ
từ thông ảo

Từ thông ảo đƣợc xác định qua vector đầu vào chỉnh lƣu PWM , Us

VOC

DPC

VFOC

VF-DPC

Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




47

48

Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phƣơng pháp điều khiển cần phải ƣớc lƣợng từ
thông ảo của lƣới điện và áp dụng phƣơng pháp điều khiển từ thông stator của động
cơ không đồng bộ cho lƣới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng điện thì gọi

Ua
Ub
Uc

ia
ib
ic

L

L
L

ia

là phƣơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều khiển dựa

ib

Sa

Đo đòng điện và
đánh giá điện áp lƣới

theo công suất thì gọi là phƣơng pháp VF-DPC

Sb

Sc

PWM

Các cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM đƣợc minh họa trên hình 2.13.
Hệ điều khiển biến tần dùng chỉnh lƣu PWM với động xoay chiều có các

iL

iL uL

phƣơng án đƣợc trình bày trên hình 2.14.



Udc
d-q

cosUL

VECTOR ĐIỆN ÁP [3], [12]

usd

usq

2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp dựa



vào dòng điện (VOC)
Đặc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu trên

sinUL

d-q
iLd

PI

cosUL

iLq

PI

-

PI
iq

hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố định  -  và hệ toạ độ quay d - q. Các giá trị dòng

đƣợc trình bày trên hình vẽ 2.15.

id

-

điện đo đƣợc trong hệ ba pha đƣợc biến đổi sang hệ toạ độ cố định  - , sau đó
đƣợc biến đổi sang hệ toạ độ d - q. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC

Udc_ref

us



sinUL

k 

2.7. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ĐỊNH HƢỚNG THEO

us

uL



TẢI

U dc

iq_ref = 0

i d_ref

Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC
Khi
TNchọn trục d trùng với vector điện áp lƣới UL , khi đó ULd = UL, còn ULq =

CL

NL

0. Phƣơng trình 2.9 đƣợc rút gọn (với giả thiết R  0):

di Ld

 Usd 
dt


0  Usq  Li Ld 
U Ld  L

DPC

(2.23)

Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình

DTC

2.16, trong đó lƣợng đặt dòng i*q = 0 và đại lƣợng đặt dòng i*d lấy ra từ bộ điều
VOC
FOC
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh

chỉnh điện áp một chiều.

lưu PWM với các phương pháp điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

49

50

Khi điều khiển vector dòng điện I L trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0. Do
dòng điện id và iq đƣợc ƣớc lƣợng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c =>  - 
=> d - q. Góc của vector điện áp UL đƣợc xác định từ (2.19) và (2.20).

U*dc

Udc

PI
Bộ điều khiển
điện áp

Udc

i*d

PI

+ -

Bộ điều khiển
điện dòng

id

L

iq

L

i*q  0

+

PI
Bộ điều khiển
điện dòng

Ua
Ub
Uc

ia

u sd
+

+

+

u q

u sq
+

iL

iL





ib

Sa S b



d-q
iLd

Sc

PWM
us

L



k cos

Udc

d-q

L

usd

usq

PI

cosL

iLq

Udc_ref

us

sinL 

sinL



Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC

L

TẢI

U dc

Đo đòng điện và
đánh giá từ thông
ảo

u Ld

+
u d

ia
ib
ic

L
L
L

PI

PI

-

iq

id

-

2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC

iq_ref = 0

Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC đƣợc biểu diễn trên hình 2.17.
Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC, trục d

id_ref

Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC

ở đây đƣợc chọn trùng với vector  L do vậy vector điện áp UL sẽ trùng với trục q,

2.8. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM THEO PHƢƠNG PHÁP

vector dòng điện I L trùng với vector UL nên ILd=0 và ILd=IL.

TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC [3], [12]

Do vậy mạch vòng điều chỉnh theo VFOC sẽ có lƣợng đặt i

*

i*lq

lấy từ

Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh lƣu PWM đƣợc

đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Nếu nhƣ góc cho biến đổi tọa độ ở VOC là

phát triển từ ý tƣởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ

uL, còn ở VFOC lấy L và đƣợc xác định:

không đồng bộ.

cos L

= 0 và

Trong đó hai đại lƣợng của DTC là mô men và từ thông đƣợc thay bằng công

 L



2
2
 L   L 

 L


 2 L   2 L 

sin L 

ld

suất p và q (xem hình 2.18).
(2.24)

ở đây, chọn lƣợng đặt công suất phản kháng q* = 0 tức là cos = 1. Lƣợng đặt
công suất tác dụng p* đƣợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều (tỉ lệ với

Giá trị L và L đƣợc tính theo 2.21.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên