Nghiên cứu các ứng dụng của bộ biến đổi tái sử dụng năng lượng

Hoàng Văn Quân CB120368

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu các ứng dụng của bộ
biến đổi tái sử dụng năng lượng từ trường” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Phạm Việt Phương. Các kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất ký tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2015

Học viên thực hiện

Hoàng Văn Quân

i


Hoàng Văn Quân CB120368

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................ iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vii
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... viii
CHƢƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
.....................................................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................1
1.1.1 Vấn đề về dòng điện khởi động Ikđ ............................................................1

1.1.2 Vấn đề về hệ số công suất..........................................................................2
1.2 Các biện pháp khắc phục đã được thực hiện .........................................................2
1.2.1 Phương pháp đổi nối sao – tam giác ( Y - ∆ ) ............................................2
1.2.2 Phương pháp khởi động mềm dùng Thyristor ............................................4
1.2.3

Phương pháp khởi động bằng biến tần ......................................................5

1.2.4

Phương pháp bù công suất phản kháng .....................................................7

1.2.4.1

Phương pháp bù công suất phản kháng dùng tụ bù tĩnh điện ............7

1.2.4.2

Phương pháp bù ngang có điều khiển ( SVC )................................ 10

1.3 Nội dung đồ án .................................................................................................. 12
CHƢƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MERS ....... 13
2.1 Cấu tạo .............................................................................................................. 13
2.2 Nguyên lý hoạt động......................................................................................... 14
2.3 Các chế độ hoạt động chính.............................................................................. 16
2.3.1 Chế độ gián đoạn ...................................................................................... 17
2.3.2 Chế độ liên tục .......................................................................................... 18
2.3.3 Chế độ cân bằng ....................................................................................... 19
2.4 Khả năng điều chỉnh điện áp và cải thiện hệ số công suất của MERS .............. 20
CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC ......................... 24

3.1 Mô hình hóa hệ thống ........................................................................................ 24
3.2 Tính toán mạch lực............................................................................................. 32

ii


Hoàng Văn Quân CB120368

3.2.1 Tính toán chọn tụ điện .............................................................................. 34
3.2.2 Tính toán chọn van ................................................................................... 34
CHƢƠNG 4 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ............................... 36
4.1 Tính toán các mạch vòng điều khiển ................................................................. 36
4.1.1 Mạch vòng điều khiển điện áp.................................................................. 37
4.1.2 Mạch vòng điều khiển công suất phản kháng .......................................... 43
4.2 Mô phỏng và đánh giá kết quả thu được ............................................................ 45
4.2.1 Mô hình mạch với một mạch vòng điện áp .............................................. 47
4.2.1.1 Các khối chức năng trong phần mô phỏng mạch vòng điện áp ........ 47
4.2.1.2 Các kết quả mô phỏng ....................................................................... 50
4.2.2 Mô hình mạch kết hợp mạch vòng điều khiển công suất phản kháng ..... 54
4.2.2.1 Các khối chức năng trong trong sơ đồ điều khiển............................. 55
4.2.2.2 Các kết quả mô phỏng ....................................................................... 57
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 61
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 62

iii


Hoàng Văn Quân CB120368

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mạch điện thay thế động cơ KĐB................................................................1
Hình 1.2 Phương pháp đổi nối sao – tam giác ............................................................3
Hình 1.3 a) Đặc tính cơ; b) Đặc tính cơ điện ..............................................................4
Hình 1.4 Bộ khởi động mềm dùng Thyristor ..............................................................4
Hình 1.5 a) Đặc tính cơ ; b) đặc tính cơ điện ..............................................................5
Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của biến tần ......................................................................6
Hình 1.7 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh điện ..........................................................................8
Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ khi chưa được lắp tụ bù .........9
Hình 1.9 Đồ thị véc tơ công suất của động cơ KĐB .................................................9
Hình 1.10 Cấu trúc và lắp đặt của tụ bù tĩnh điện SVC ......................................... 11
Hình 2.1 Cấu tạo bộ MERS ..................................................................................... 14
Hình 2.2 Các trạng thái làm việc của MERS .......................................................... 14
Hình 2.3 Kết quả của quá trình đóng – mở van ....................................................... 15
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống dùng MERS và biểu đồ pha ............................................. 16
Hình 2.5.Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ gián đoạn ..................... 17
Hình 2.6 Giản đồ điện áp, dòng điện trong chế độ gián đoạn .................................. 18
Hình 2.7 Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ liên tục ........................ 18
Hình 2.8 Giản đồ điện áp, dòng điện trong chế độ liên tục .................................... 19
Hình 2.9 Đồ thị dòng điện và điện áp trong chế độ cân bằng ................................. 20
Hình 2.10 Đồ thị vecto quan hệ dòng điện và điện áp theo góc pha của điện áp
MERS [7] a) Khi không có MERS; b) Chế độ chậm sau; c) Chế độ cân bằng; d) chế
độ vượt trước ............................................................................................................ 20
Hình 2.11 Quan hệ điện áp tải, hệ số công suất với góc α ....................................... 22
Hình 2.12 Điện kháng của MERS theo góc pha ................................................... 23
Hình 3.1 Sơ đồ điện áp tải RL .................................................................................. 24
Hình 3.2 Sơ đồ đấu nối Mers trong hệ thống ........................................................... 24
Hình 3.3 Sơ đồ thay thế và đồ thị vector điện áp .................................................... 28
Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển MERS trong chế độ liên tục ................................. 31

iv


Hoàng Văn Quân CB120368

Hình 3.5 Cấu trúc mạch điện nguồn – Mers – động cơ ........................................... 32
Hình 3.6 Mô hình đơn giản hóa của động cơ ........................................................... 33
Hình 3.7 Sơ đồ vector điện áp .................................................................................. 33
Hình 3.8 Hình thực tế của van IGBT HGTP20N60B3 ............................................ 35
Hình 4.1 Hai mạch vòng điều khiển MERS............................................................. 36
Hình 4.2 Mạch vòng điều khiển điện áp .................................................................. 37
Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển Mers giản lược .......................................................... 37
Hình 4.4 Sơ đồ khối đo lường điện áp ..................................................................... 38
Hình 4.5 Hệ tọa độ α-β ............................................................................................. 38
Hình 4.6 Nguyên lí hoạt động của khổi PLL .......................................................... 40
Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển PLL ....................................................................... 41
Hình 4.8 Cấu trúc dịch pha ...................................................................................... 42
Hình 4. 9 Đồ thị biểu diễn dịch pha và xung điểu khiển IGBT ............................... 43
Hình 4.10 Sơ đồ điều khiển Mers có thêm mạch vòng điều khiển công suất phản
kháng ........................................................................................................................ 44
Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng điện áp – Matlab Simulink .......... 46
Hình 4.12 Đồ thị điện áp đặt cho mạch vòng điện áp .............................................. 47
Hình 4.13 Sơ đồ khối động cơ – tải ......................................................................... 48
Hình 4.14 Sơ đồ khối khâu đo lường điện áp .......................................................... 48
Hình 4.15 Sơ đồ phát xung cho các van IGBT – Simulink ..................................... 48
Hình 4.16 Sơ đồ khối đồ thị kết quả - Simulink ...................................................... 49
Hình 4.17 Đồ thị điện áp 3 pha nguồn ..................................................................... 50
Hình 4.18 Đồ thị điện áp trên tụ ............................................................................... 51
Hình 4.19 Đồ thị điện áp tải với mạch vòng điện áp ............................................... 52
Hình 4.20 Đồ thị dòng điện khởi động với mạch vòng điện áp ............................... 52

Hình 4.21 Đồ thị công suất phản kháng với mạch vòng điện áp ............................. 52
Hình 4.22 Đồ thị hệ số công suất với mạch vòng điện áp ....................................... 53
Hình 4.23 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng kết hợp mạch vòng công suất phản kháng .... 56

v


Hoàng Văn Quân CB120368

Hình 4.24 Đồ thị công suất phản kháng khi kết hợp cả mạch vòng công suất phản
kháng ........................................................................................................................ 57
Hình 4.25 Đồ thị hệ số công suất khi kết hợp cả mạch vòng công suất phản kháng
.................................................................................................................................. 57
Hình 4.26 Đồ thị vận tốc trên trục động cơ.............................................................. 58

vi


Hoàng Văn Quân CB120368

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng tham số nguồn cung cấp và động cơ ............................................... 31
Bảng 3.2 Bảng tham số van IGBT HGP20N60B3................................................... 34
Bảng 4.1 Bảng số liệu các dữ liệu khi mô phỏng..................................................... 43
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
MERS

FACTs

Magnetic Energy Recovery Switch

Flexible AC transmister system

SVC

Static VAR Compensator

TCR

Thyristor Controlled Reactor

TSC

Thyristor Switch Capacitor

GCSC

TCSC

GTO Controlled Series Capacitor
Thyristor Controlled Series
Capacitor

Bộ biến đổi tái sử dụng năng
lượng từ trường
Hệ thống truyền tải điện linh
hoạt
Bộ bù tụ điện tĩnh
Cuộn kháng được điều khiển
bằng thyristor

Tụ điện được đóng cắt bằng
thyristor
Tụ bù nối tiếp điều khiển
bằng GTO
Tụ bù nối tiếp điều khiển
bằng Thyristor

vii


Hoàng Văn Quân CB120368

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay các dây chuyền sản xuất ngày càng được tự động hóa cao, cho
năng suất và chất lượng cao hơn. Trong việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất,
điều chỉnh tự động truyền động giữ vai trò hết sức quan trọng. Trong đó hệ truyền
động điện biến tần - động cơ ngày càng được sử dụng phổ biến hơn.Tuy nhiên đối
với những hệ truyền động không yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì biến tần sử
dụng không thật sự cần thiết. Những năm gần đây với sự phát triển của các linh kiện
bán dẫn công suất. Bộ biến đổi MERS ( được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của
giáo sư Shimada thuộc viện công nghệ Tokyo ) đã ra đời thể hiện được rất nhiều ưu
biệt như: cải thiện hiệu suất làm việc, tiết kiệm năng lượng …..trong hệ thống
truyền động.
Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu các ứng
dụng của bộ biến đổi tái sử dụng năng lượng từ trường (MERS) ” Nội dung luận
văn bao gồm các phần chính sau:
Chương 1 Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ
Chương 2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MERS
Chương 3 Mô hình hóa và tính toán mạch lực
Chương 4 Cấu trúc điều khiển và mô phỏng

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Phạm Việt Phƣơng em đã
hoàn thành bản luận văn này. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy
giáo TS. Phạm Việt Phƣơng cùng các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa Xí
Nghiệp Công Nghiệp. Tuy nhiên, do trình độ bản thân còn hạn chế và thời gian có
hạn nên bản luận văn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em kính mong được sự
hướng dẫn và góp ý của các thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

viii

tháng

năm 2015


Hoàng Văn Quân CB120368

CHƢƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1 Đặt vấn đề
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều thành tựu mới đã được áp dụng
vào trong sản xuất. Các dây truyền ngày càng được tự động hóa đã cho năng xuất
và chất lượng cao hơn. Trong việc tự động hóa các dây truyền sản xuất, các động
cơ không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi bởi có những ưu điểm nổi bật
như sau: Cấu tạo đơn giản, làm việc có độ tin cậy cao, giá thành hạ, sửa chữa và
bảo dưỡng dễ dàng, có kích thước nhỏ gọn. Trong thực tế, không phải hệ thống
truyền động nào cũng đòi hỏi việc điều chỉnh tốc độ (ví dụ như máy bơm, quạt
gió, máy nén khí, hệ thống băng tải,…..) do đó động cơ thường được nối trực tiếp
với lưới điện. Trong hệ thống truyền động này vấn đề quan tâm nhất ở đây là ở

quá trình khởi động. Trong quá trình khởi động chúng ta quan tâm tới hai vấn đề
lớn như sau:
1.1.1 Vấn đề về dòng điện khởi động Ikđ
Việc cấp một điện áp định mức cho stator sẽ khiến cho dòng điện khởi động rất
lớn gấp 5-7 lần dòng định mức vì lúc này động cơ làm việc ở chế độ như ngắn
mạch. Dòng điện lớn nhưng momen khởi động lại nhỏ do từ thông giảm.

Hình 1.1 Mạch điện thay thế động cơ KĐB
Từ hình 1.1 dòng điện stator tính theo công thức (1.1):

1


Hoàng Văn Quân CB120368




1
I1  U 1 

2
2
 R  X 



1
2


R' 
2'
 R1  2   X nm
s











(1.1)

Khi khởi động, nếu đóng thẳng điện áp định mức vào stator của động cơ thì sẽ
xảy ra hiện tượng quá dòng. Nguyên nhân là do, khi vừa khởi động, từ trường stator
chưa thể tạo ra một sức điện động đủ lớn trong stator, điều này sẽ làm cho dòng
điện trở lên vượt quá giá trị định mức, gây nóng và có thể làm hỏng động cơ đặc
biệt là các động cơ có công suất lớn. Chính vì vậy mà khi khởi động ta cần giảm
điện áp đặt vào cuộn dây stator. Dòng điện khởi động được tính theo công thức
(1.2):
U1

I kđ 
( R1 

R2' 2
)  ( X 1  X 2' ) 2
s

(1.2)

trong đó:
U1: Điện áp nguồn đặt vào cuộn dây stator
R1, X1: Là điện trở, cảm khảng của stator
R2'
, X 2' : Là điện trở, cảm kháng quy đổi của roto sang stator
s

1.1.2 Vấn đề về hệ số công suất
Như chúng ta đã biết động cơ KĐB là loại tải mang tính cảm tiêu thụ một
lượng công suất phản kháng để tạo ra từ trường quay, là tải tiêu thụ (60-65)% tổng
công suất phản kháng của nguồn điện. Công suất phản kháng của động cơ KĐB
gồm hai phần. Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để sinh ra từ
trường tản trong mạch điện sơ cấp, phần còn lại được sử dụng để sinh ra từ thông

2


Hoàng Văn Quân CB120368

khe hở. Khi động cơ làm việc sẽ làm cho hệ số công suất cos thấp ảnh hưởng đến
chất lượng của nguồn điện.
1.2

Các biện pháp khắc phục đã đƣợc thực hiện

Thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp được dùng để khắc phục các vấn

đề đã nêu ở trên. Có thể kể đến các phương pháp như:
1.2.1 Phƣơng pháp đổi nối sao – tam giác ( Y - ∆ )
Phương pháp này chỉ sử dụng được cho các động cơ bình thường hoạt động
đấu ∆. Khi mà công nghệ điện tử bán dẫn chưa phát triển, việc khởi động động cơ
đã nêu ra yêu cầu phải đảm bảo dòng điện khởi động nhỏ nhưng momen đủ lớn đủ
động cơ có thể khởi động được. Chính vì vậy, bộ khởi động bằng phương pháp nối
sao- tam giác (Y-∆) như hình 1.2 được xem như là một trong những bộ khởi động
động cơ không đồng bộ đơn giản.

Hình 1.2 Phương pháp đổi nối sao – tam giác
Đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện được thể hiện dưới hình 1.3. Đồ thị là
những nét liền, trên đó còn biểu thị đặc tính tải Mc, momen cản tỷ lệ với bình
phương tốc độ. Trên đường đặc tính cơ điện cho thấy khi chuyển tốc độ từ sao sang
tam giác vẫn có đỉnh dòng điện tương đối lớn, vượt ra ngoài đặc tính khi khởi động

3


Hoàng Văn Quân CB120368

trực tiếp theo đường nét đứt tam giác vẫn có đỉnh dòng điện tương đối lớn, vượt ra
ngoài đặc tính khi khởi động trực tiếp theo đường nét đứt

.
a)

b)

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ; b) Đặc tính cơ điện.
Phương pháp đổi nối sao-tam giác có mục đích làm giảm điện áp đặt lên động
cơ do đó giảm momen giật và dòng lúc khởi động. Tuy nhiên phương pháp này có
nhược điểm là dùng những phần tử đóng cắt có tiếp điểm, quá trình khởi động vẫn
nhảy cấp, vẫn phát sinh các xung lực gây giật cơ cấu và xung dòng khởi động lớn.
1.2.2 Phƣơng pháp khởi động mềm dùng Thyristor
Bộ khởi động mềm dùng Thyristor có cấu trúc như sau:

Hình 1.4 Bộ khởi động mềm dùng Thyristor

4


Hoàng Văn Quân CB120368

Cấu trúc này dựa trên băm xung xoay chiều với các thyristor mắc song song
từng cặp một trên từng pha. Bằng phương pháp điều khiển góc mở α cho các van
bán dẫn điện áp đặt lên cuộn dây stator động cơ có thể tăng từ từ đảm bảo hạn chế
dòng điện và sinh ra momen đủ lớn cho động cơ trong quá trình khởi động
Ưu điểm của phương pháp này là nhà sản xuất đã tích hợp sẵn trong tủ nên
có sẵn các Rơle bảo vệ, PLC điều khiển theo công nghệ. Tích hợp khả năng dừng
mềm và khởi động . Dòng khởi động thấp phương pháp này đã được áp dụng nhiều
cơ cấu truyền động, dải công suất rộng.

Hình 1.5 a) Đặc tính cơ ; b) đặc tính cơ điện
Hình 1.5 a, b mô tả đặc tính cơ và đặc tính cơ điện khi sử dụng bộ khởi động
mềm dùng Thyristor. Từ hai đường đặc tính này có thể thấy momen khởi động và
dòng điện đều có thể làm việc tốt, không gây xung giật.
1.2.3 Phƣơng pháp khởi động bằng biến tần
Trong thực tế ngày này, để đáp ứng nhiều mục đích như vừa giảm được dòng

khởi động, nâng cao hệ số công suất và điều khiển được tốc độ. Biến tần được ra
đời, nó đã và đang được sử dụng rất phổ biến để điều khiển động cơ nói chung cũng
như động cơ KĐB nói riêng, đặc biệt trong những hệ truyền động đòi hỏi chất
lượng cao.

5


Hoàng Văn Quân CB120368

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của biến tần
Sơ đồ chức năng tổng quát được thể hiện trên hình 1.6 . Biến tần nói một cách
đơn giản chỉ gồm hai thành phần chính là bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Nguyên lý
làm việc như sau: tín hiệu cung cấp vào là nguồn xoay chiều, ở đây thông thường
lấy nguồn điện xoay chiều một pha. Chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay
chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu cũng như cung cấp cho
mạch điều khiển và hiển thị. Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng dòng điện một chiều sau
chỉnh lưu, tùy theo yêu cầu chất lượng điện áp cũng như công suất của động cơ mà
bộ lọc có thể là lọc C hoặc LC hoặc là sự kết hợp CLC. Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu
là chuyển đổi từ nguồn một chiều sang điện áp xoay chiều ba pha cung cấp cho
động cơ. Đặc điểm của điện áp ra biến tần cấp cho động cơ phụ thuộc vào bộ điều
khiển được cài đặt thông qua màn hình nhận lệnh, cho phép động cơ chạy ở chế độ
mong muốn (quay thuận, quay nghịch, với tốc độ bao nhiêu…). Thêm vào đó, các
biến tần còn có mạch thu thập dữ liệu như tốc độ, vị trí để đưa về bộ điều khiển
phục vụ cho thuật toán điều khiển.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng sử dụng biến tần khắc phục được
nhược điểm của các phương pháp đã nêu như: dòng khởi động thấp, vô cấp, nâng
cao hiệu suất của động cơ. Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất
động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều, với kết cấu đơn giản,

6


Hoàng Văn Quân CB120368

làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau, khả năng mở máy và điều chỉnh
tốc độ động cơ dễ dàng, đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau kể cả các hệ truyền
động cần thay đổi tốc độ cho nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ...) hay các
thiết bị đơn lẻ có yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài...). Tuy nhiên,
bên cạnh nhiều ưu điểm biến tần lại có chi phí khá cao, nếu ta cần điều khiển cho
nhiều động cơ riêng lẻ hoặc chỉ khởi động cho những động cơ không cần điều khiển
tốc độ như máy bơm, quạt gió… sẽ rất lãng phí khi mà không sử dụng hết các chức
năng của nó. Vì thế Biến tần thường được sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi
chất lượng cao.
1.2.4 Phƣơng pháp bù công suât phản kháng
Điều chỉnh hệ số công suất áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp
lưới. Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây
hay tụ điện cho thiết bị. Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh hệ số
công suất bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dây vận hành nhằm giúp
triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biểu kiến và tăng hệ số công
suất. Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành
công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm
giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải.
Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công
suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra
của thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm
ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù
bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây.
Ngày nay với các tiến bộ trong ngành điện tử công suất thì để có thêm nhiều
phương pháp để cải thiện được hệ số công suất nguồn như:

1.2.4.1. Phƣơng pháp bù công suất phản kháng dùng tụ bù tĩnh điện
Bên cạnh vấn đề giảm dòng điện khởi động bằng các biện pháp thường sử
dụng đã nêu trên thì nâng cao hệ số công suất (cos) cũng được đặc biệt quan tâm.
Như ta đã biết phần lớn thiết bị điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và công

7


Hoàng Văn Quân CB120368

suất phản kháng (Q). Trong các phụ tải của lưới điện thì động cơ KĐB mang tính
cảm được sử dụng nhiều nhất, tiêu thụ khoảng (60-65)% tổng công suất phản kháng
của mạng điện. Trong khi công suất phản kháng của nguồn phát ra có giới hạn, việc
cải thiện hệ số công suất đồng nghĩa với giảm được tổn thất điện áp, tổn thất công
suất, và tăng khả năng truyền tải của lưới điện. Ngày nay, để nâng cao hệ số công
suất được thực hiện bằng nhiều biện pháp khác nhau. Trong đó phương pháp sử
dụng tụ bù tĩnh điện là phương pháp đơn giản nhất, sơ đồ mắc tụ bù được thể hiện
trên hình 1.7:

Hình 1.7 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh điện
Để thực hiện bù lượng công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ, các tụ bù
được mắc song song với từng động cơ hoặc theo nhóm động cơ trong các nhà máy
xí nghiệp. Tụ điện là loại thiết bị tĩnh điện, làm việc với dòng điện vượt trước điện
áp do đó có thể sinh ra công suất phản kháng (Q) cung cấp cho mạng điện. Tuỳ
thuộc lượng công suất phản kháng của tải tiêu thụ mà người ta sử dụng tụ có trị số
cần thiết để đạt được công suất phản kháng cần bù. Công suất phản kháng của tụ
được tính theo công thức sau (1.3):
(1.3)
Trong đó: U- là điện áp nguồn.
f - là tần số nguồn.

C – điện dung của tụ.

8


Hoàng Văn Quân CB120368

b) Có tụ bù

a) Không có tụ bù

Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ
Trong đó: U - là điện áp cấp cho động cơ
R - là điện trở của động cơ
L - là điện kháng của động cơ
C - là dung kháng của tụ bù
Đồ thị véc tơ công suất tiêu thụ của động cơ được thể hiện trên hình 1.9.a và
1.9.b như sau:

(a)

(b)

Hình 1.9 Đồ thị véc tơ công suất của động cơ KĐB
(a) Không có tụ bù; (b) Có tụ bù
Từ đồ thị véc tơ công suất trước khi bù 1.9.a và 1.9.b ta thấy hệ số công suất
trước khi bù được tính theo công thức (1.4) và hệ số công suất sau khi mắc tụ bù
được tính theo công thức (1.5):





√

(1.4)

√

(1.5)

Từ công thức (1.4) và (1.5) ta thấy: cos2 > cos1. Như vậy sau khi thực hiện

9


Hoàng Văn Quân CB120368

mắc thêm tụ bù tĩnh điện hệ số công suất của động cơ được tăng lên. Trên thực tế
căn cứ và lượng công suất phản kháng của động cơ tiêu thụ mà người ta chọn giá trị
của tụ sao cho

khi đó hệ số công suất

.

Lượng công suất phản kháng truyền tải từ nguồn đến động cơ là Q thì tổn thất
công suất của động cơ trước khi bù (
bù (

) được tính bởi công thức (1.6) và sau khi

) được tính theo công thức (1.7):

(1.6)

(1.7)
Từ công thức (1.6) và (1.7) ta thấy

. Chính vì vây tổn hao công

suất giảm. Điện năng tiết kiệm của động cơ sau khi bù trong thời gian hoạt động (T)
của động cơ được tính theo công thức (1.8):
ế

(1.8)

ệ

Phương pháp sử dụng tụ bù cũng có thể được coi là phương pháp đơn giản
nhất để thực hiện nâng cao hệ cố công suất, thường được dùng tại các nhà máy xí
nghiệp. Thế nhưng ta mắc tụ bù cho động cơ có trị số không thay đổi trong khi phụ
tải luôn luôn biến động dẫn đến hiện tượng thường xuyên thừa – thiếu công suất
phản kháng. Nếu công suất phản kháng từ nguồn thừa sẽ làm cho điện áp lưới điện
tăng lên, ngược lại nếu thiếu sẽ làm sụt áp lưới điện. Để khắc phục vấn đề này hiện
nay người ta thực hiện bằng các phương pháp bù có điều khiển như SCV, GCSC,
TCSC…
1.2.4.2 Phƣơng pháp bù ngang có điều khiển (SVC)
Bộ SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh
điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng. Nếu hệ thừa công
suất phản kháng, SVC đóng vai trò là các kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ

công suất phản kháng từ hệ thống. Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản
kháng, SVC sẽ tự động đóng vào. Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào
hệ thống.

10


Hoàng Văn Quân CB120368

Hình 1.10 Cấu trúc và lắp đặt của tụ bù tĩnh điện SVC
SVC được kết nối với cuộn dây điện cảm TCR hoặc tụ điện TSC được điều
chỉnh bằng các van bán dẫn Thyristor. Nhờ việc thay đổi góc dẫn của Thyristor mà
điện kháng SVC có thể thay đổi liên tục được .Tùy thuộc vào tính chất của tải mà ta
có thể mắc TCR hay TSC hoặc có thể mắc cả hai như trên sơ đồ. Thiết bị này bao
gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản
kháng bằng các công tắt. Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị
điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện
áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng,
trước khi vào thiết bị. Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều
khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở
trên giá trị được chọn.
Tóm lại: Trong thực tế trong các hệ truyền động điện, động cơ KĐB được sử
dụng nhiều nhất do tính ưu việt của nó, là phụ tải chính của lưới điện lại mang tính
cảm. Đối với những hệ truyền động không đòi hỏi chất lượng cao thì động cơ KĐB
thường được nối trực tiếp với lưới. Khi khởi động dòng khi khởi động lớn, hệ số
công suất thấp gây ảnh hưởng đến chất lượng của lưới điện cũng như các thiết bị
điện khác. Mặc dù nhiều biện pháp kể trên đã thực hiện để khắc phục nhưng đều
chưa triệt để. Cụ thể: giảm được dòng khởi động thì không cải thiện được hệ số
công suất (như các phương pháp đổi đấu nối Y- , dùng cuộn kháng, bộ biến đổi
Thyristor), hoặc cải thiện được hệ số công suất lại không giảm được dòng khởi

động (như bù tĩnh điện). Ngày nay, với sự phát triển của các linh kiện điện tử công

11


Hoàng Văn Quân CB120368

suất, các thiết bị biến đổi đã được ra đời, trong đó Biến tần được sử dụng phổ biến
và có những ưu điểm vượt trội. Đối với những tải không cần điều chỉnh tốc độ hay
hệ thống truyền động không đòi hỏi chất lượng cao thì việc sử dụng biến tần lại
không hợp lý vì chi phí quá đắt không cần thiết.
1.3 Nội dung đồ án
Đồ án này được chia làm 4 chương:
Chương 1: Đây là phần mở đầu của đồ án, đưa ra hai vấn đề khi đấu nối
động cơ không đồng bộ ba pha với lưới điện đó là giảm dòng điện khởi động và
nâng cao hệ số công suất. Trình bày nhưng ưu điểm và hạn chế của các phương
pháp đã được sử dụng từ đó đưa ra lý do lựa chọn MERS để nghiên cứu.
Chương 2: Giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi
MERS, các trạng thái hoạt động của MERS và khả năng điều chỉnh điện áp, cải
thiện hệ số công suất của MERS đối với động cơ KĐB.
Chương 3: Mô hình hóa bộ biến đổi MERS nhằm đưa ra hàm truyền đạt,
thiết kế tính toán các thông số mạch lực và lựa trọn các tham số cho bộ điều khiển.
Chương 4: Đưa ra nguyên tắc điều khiển từ đó đi xây dựng cấu trúc mạch
vòng điều khiển điện áp, mạch vòng công suất phản kháng của bộ biến đổi MERS
với tải là động cơ KĐB, để giải quyết hai vấn đề chính giảm dòng điện khởi động
và nâng cao hệ số công suất, sau đó kiểm nghiệm lại các tính toán trên thông qua
mô phỏng trên Matlab-Simulink để so sánh tính ưu biệt của bộ biến đổi MERS với
các phương pháp khác.

12

Hoàng Văn Quân CB120368

CHƢƠNG 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MERS
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các bộ biến đổi điện
tử công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong
lĩnh vực tiết kiệm năng lượng, nâng cao công suất hoạt động của các thiết bị tiêu thụ
năng lượng.
MERS (Magnetic Energy Recovery Switch) bộ biến đổi tái năng lượng từ trường đã
được phòng thí nghiệm của giáo sư Shimada Ryuichi tại Viện công nghệ Tokyo
phát minh và đăng ký bản quyền sở hữu trí tuệ vào năm 2005. Đây được xem như
bộ biến đổi tiềm năng với nhiều tính năng nổi trội như cấu trúc điều khiển đơn giản,
có thể điều khiển dòng điện theo hai chiều.., hứa hẹn là một thiết bị có thể ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như tiết kiệm năng lượng, truyền tải điện linh hoạt ( FACTs).
Luận văn này chỉ nghiên cứu về ứng dụng cụ thể của bộ biến đổi MERS trong lĩnh
vực tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ không đồng
bộ ba pha xoay chiều.
2.1 Cấu tạo
Cấu tạo của MERS (hình 2.1) bao gồm bốn van bán dẫn (S1, S2, S3, S4)
điều khiển được, mỗi van được mắt song song ngược với một điốt và một tụ điện C
có điện cực không đổi . Các van bán dẫn có thể sử dụng IGBT hay MOSFET, được
chia thành hai nhánh song song , mỗi nhánh gồm hai van mắc nối tiếp ngược chiều
nhau (S1, S2 ), (S3, S4), được bố trí đối xứng theo kiểu cầu H. Sơ đồ mạch của
MERS có cấu trúc gần giống với sơ đồ biến đổi cầu H, tuy nhiên có hai sự khác biệt
cơ bản như sau: Thứ nhất MERS được mắc nối tiếp với tải do MERS đặt giữa tải
và nguồn nên nó có thể điều chỉnh được dòng điện qua tải . Thứ hai Điện áp của tụ
điện một chiều của MERS được thay đổi và thậm chí có thể về không
Ưu điểm:

+ Cấu hình đơn giản, dễ dàng điều khiển.
+ Dung lượng tụ một chiều nhỏ.
+ Tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt thấp.

13


Hoàng Văn Quân CB120368

+ Có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

.
Hình 2.1 Cấu tạo bộ MERS
2.2 Nguyên lý hoạt động
Khi sử dụng bộ biến đổi MERS được mắc nối tiếp giữa nguồn và tải như hình
2.1. Các van IGBT được điều khiển đóng hoặc mở theo từng cặp (S1-S3) hoặc (S2S4). Khi (S1-S3) mở thì (S2-S4) đóng và ngược lại. Tần số đóng cắt được chọn
bằng tần số của nguồn điện, như vậy trong mỗi chu kỳ của điện áp nguồn các van
IGBT được đóng mở một lần và được điều khiển đồng bộ. Sơ đồ nguyên lý làm
việc của MERS được thể hiện trên hình 2.2.

Hình 2.2. Các trạng thái làm việc của MERS
Bộ biến đổi MERS có 3 trạng thái làm việc cơ bản trong mỗi nửa chu kỳ của
điện áp nguồn. Ta xét một nửa chu kỳ của nguồn điện áp (

), Trong thời gian này

chỉ có cặp (S1- S3) hoạt động, còn cặp (S2-S4) được giữ đóng:
- Khi cặp van (S1-S3) mở:
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình hình 2.2.c. Trong trạng thái này dòng
điện được chạy trên 2 nhánh song song: nhánh thứ nhất đi qua Diode (nối song song

với S2) sau đó đi qua van S1, đồng thời nhánh thứ hai cũng được đi qua van S3 sau

14


Hoàng Văn Quân CB120368

đó đi qua Diode (nối song song với S4). Ở trạng thái này tụ điện (C) ngắn mạch, giá
trị điện áp trên tụ Uc=0.
- Khi cặp van (S1-S3) đóng:
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2.2.a. Khi cặp van (S1-S3) đóng: vì
tải là động cơ mang tính cảm, do đó trên tải suất hiện một sức điện động cảm ứng
có chiều cùng chiều với điện áp nguồn. Lúc này tụ C được nạp điện (hình 2.2.b).
Dòng điện nạp cho tụ đi qua Diode (nối song song với S2) sau đó qua tụ C rồi qua
Diode (nối song song với S4). Cho đến khi tụ được nạp đầy điện áp, tụ C ngừng nạp
dòng điện qua tụ bằng không
- Khi cặp van (S1-S3) mở:
Năng lượng tích lũy trên tụ được phóng ra tải. Dòng phóng đi từ: +Uc qua
van S1 đi qua Tải về Nguồn rồi qua S3 về -Uc sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên
hình 2.2.b.
Đến bán chu kỳ tiếp theo - điện áp nguồn đổi cực, (S2- S4) hoạt động, còn
(S1-S3) được giữ đóng. bộ biến đổi MERS làm việc tương tự. Dòng điện tăng khi
khóa mở tương đương với dòng điện truyền đi trước khi khóa đóng.

Hình 2.3. Kết quả của quá trình đóng – mở van
Từ sự phân tích nguyên lý làm việc của bộ biến đổi như trên ta có thể khái
quát sơ đồ nguyên lý làm việc cũng như biểu đồ véc tơ điện áp của hệ thống dùng
MERS trên hình 2.4.

15

Hoàng Văn Quân CB120368

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống dùng MERS và biểu đồ pha
Từ sơ đồ hệ thống và biểu đồ pha của hệ thống dùng MERS ta có một số nhận
xét như sau:
Thứ nhất: Tụ điện của MERS và cảm kháng của tải tạo nên một mạch cộng
hưởng. Năng lượng cảm ứng trên tải không những không bị tiêu tán vô ích hoặc làm
ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn điện mà nó được tái sử dụng - đây là một ưu
điểm vượt trội của MERS so với các bộ biến đổi ra đời trước đó;
Thứ hai là: Bằng việc điều chỉnh góc mở () của van, giá trị  này được so
sánh với điểm 0 của điện áp nguồn. Ta thay đổi được thời điểm đóng (mở) các cặp
van làm cho giá trị điện áp nạp trên tụ MERS được thay đổi và điện áp trên tải cũng
thay đổi theo. Từ đó ta có thể điều chỉnh giảm được dòng khởi động cũng như tốc
độ của động cơ như mong muốn;
Thứ ba là: tụ điện (C) trong MERS có chức năng giống như một tụ bù được
mắc nối tiếp với tải và có thể thay đổi được giá trị. Do đó có thể thay đổi được hệ số
công suất.
Đây chính là những cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu các chế độ hoạt động
của MERS để đi đến quyết định sử dụng bộ biến đổi MERS cho tải là động cơ
KĐB.
2.3 Các chế độ hoạt động chính
Như trên ta đã phân tích thấy rằng nguyên lý hoạt động của MERS chính là
sự giao động được tạo bởi dung kháng của MERS và cảm kháng của tải. Phụ thuộc
vào thông số của mạch, góc mở các van () cũng như tần số của nguồn điện [3]. Tần
số đáp ứng quyết định và tạo nên ba chế độ hoạt động chính của MERS như sau:

16

Hoàng Văn Quân CB120368

2.3.1 Chế độ gián đoạn
Chế độ này xảy ra khi tần số giao động của mạch lớn hơn tần số của nguồn
điện. Bộ biến đổi MERS trải qua cả 3 trạng thái làm việc trong mỗi nửa chu kỳ
đóng cắt. Sơ đồ biểu diễn các trạng thái làm việc trong chế độ gián đoạn của MERS
thể hiện trên hình 2.5.

a. Tụ xả

b. Ngắn

c. Tụ nạp

d. Tụ xả

e. Ngắn

f. tụ nạp

điện

mạch tụ

điện

điện

mạch tụ

điện

Hình 2.5. Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ gián đoạn
Trong một chu kỳ của điện áp nguồn MERS có các trạng thái làm việc như
sau: Ban đầu tụ được nạp bởi điện điện áp nguồn: Dòng nạp đi qua các Diode đấu
song song với cặp van S1-S3 (hình 2.5.f) cho đến khi điện áp trên tụ đạt giá trị đỉnh
thì dòng điện đổi chiều. Toàn bộ năng lượng tích lũy trên tụ được phóng theo chiều
ngược lại thông qua hai van S1-S3 dẫn (hình 2.5.a). Quá trình nạp - phóng của tụ
được lặp lại ở nửa chu kỳ đóng cắt của van (hình 2.5.c và 2.5.d). Tuy nhiên do tụ xả
hết trong mỗi nửa chu kỳ nên giữa hai lần đóng cắt có tồn tại thêm trạng thái tụ làm
việc ngắn mạch (Vc = 0). Trong khoảng thời gian này, dòng điện không đi qua tụ
nữa mà đi thẳng theo hai nhánh van song song thông qua Diode và van dẫn trên mỗi
nhánh (hình 2.5.b và 2.5.e). Giản đồ điện áp và dòng điện trong chế độ này được
biểu diễn trên hành 2.6.

17