NGHIÊN cứu hệ THỐNG BIẾN tần ĐỘNG cơ KHI làm VIỆC ở các tần số KHÁC ĐỊNH mức của ĐỘNG cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM HÙNG

PHẠM HÙNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

KHI LÀM VIỆC Ở CÁC TẦN SỐ KHÁC ĐỊNH
MỨC CỦA ĐỘNG CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
KHÓA 2009 - 2011
Hà Nội - 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HÙNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐỘNG
CƠ KHI LÀM VIỆC Ở CÁC TẦN SỐ KHÁC
ĐỊNH MỨC CỦA ĐỘNG CƠ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN THỊNH

HÀ NỘI - 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Hùng
Sinh ngày: 30 tháng 05 năm 1982
Hiện đang công tác tại: Phòng Cao áp – Viện Năng lượng – Bộ Công thương
Đề tài thực hiện luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu hệ thống biến tần động cơ
khi làm việc ở các tần số khác định mức của động cơ”.
Được thực hiện tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Trong thời gian thực hiện
luận văn được sự giúp đỡ nhiệt tình của TS. Trần Văn Thịnh nên đề tài đã hoàn
thành đúng tiến độ được giao.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của mình. Nội dung trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ công trình khoa học nào.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trần Văn Thịnh, các thầy cô
trong bộ môn Thiết bị điện-điện tử, Khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi
hoàn thành tốt luận văn này.
Xin trân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 03 tháng 4 năm 2012
Tác giả

Phạm Hùng


MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN

i

MỤC LỤC

ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

v

MỞ ĐẦU

1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG
TẦN SỐ

4

1.1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

4

1.2. Phân loại biến tần

6

1.2.1. Biến tần trực tiếp

6

1.2.2. Biến tần gián tiếp

6

1.3. Điều khiển biến tần bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

11

1.3.1. Phương pháp điều biến dựa trên song mạng CB-PWM

13

1.3.2. Phương pháp điều chế véc tơ không gian

15

1.4. Mạch nghịch lưu dòng điện

20

1.5. Bộ điều chỉnh dòng điện cho các hệ thống truyền động Biến tần –
Động cơ không đồng bộ

23

1.5.1. Các đặc điểm chung của dòng điện xoay chiều

23

1.5.2. Bộ điều chỉnh dòng điện có đặc tính trễ

25

1.5.3. Bộ điều khiển dòng điện PI kết hợp khâu so sánh

28

1.6. Các phương pháp điều khiển tần số

31

1.6.1. Phương pháp điều khiển vô hướng

35

1.6.2. Phương pháp điều khiển vectơ

36

Chương 2 – MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC
2.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ KĐB ba pha roto lồng sóc

39
39


2.2. Biến đổi hệ tọa độ phương trình đặc tính động của động cơ KĐB

47

2.2.1. Động cơ không đồng bộ 2 cực lý tưởng

47

2.2.2. Nguyên lý biến đổi các biến từ 3 pha thành 2 pha

49

2.2.3. Biểu diễn véc tơ không gian các đại lượng 3 pha động cơ KĐB

50

2.2.4. Một số hệ tọa độ dùng khi nghiên cứu động cơ KĐB

56

2.2.4.1. Hệ tọa độ cố định với stato (Hệ tọa độ αβ)

56

2.2.4.2. Hệ tọa độ cố định với từ trường quay (Hệ tọa độ dq)

57

2.2.5. Mối liên hệ giữa điện cảm và hỗ cảm trong cuộn dây của máy
điện KĐB với các tham số tính toán
2.2.6. Biến đổi hệ phương trình vi phân của động cơ KĐB

59
60

2.2.6.1. Hệ phương trình vi phân của động cơ KĐB trên hệ tọa độ 2
pha tổng quát uv

60

2.2.6.2. Hệ phương trình vi phân và mô hình của động cơ KĐB
trên hệ tọa độ αβ

71

2.2.6.3. Hệ phương trình vi phân và mô hình của động cơ KĐB trên
hệ tọa độ dq

73

2.3.Tổn hao trong hệ thống truyền động điện động cơ KDB do tần số

gây ra

75

2.3.1. Tổn hao do sóng hài.

75

2.3.2. Tổn hao do tần số cơ bản
2.3.3. Tính toán các tổn hao

75

2.3.3.1 Tính toán các tổn hao đồng và tổn hao phụ
2.3.3.2. Các tổn hao sắt
2.3.3.3. Tổn hao cơ
Chương 3 – MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

76
76

78
80
82

3.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab

82

3.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ

84

3.3. Hệ truyền động biến tần-động cơ KĐB làm việc ở các tần số khác

87


3.3.1. Tại tần số f = 50Hz

87

3.3.2. Tại tần số f = 50% fđm

90

3.3.3. Tại tần số f = 10% fđm

93

3.4 Phân tích tổn thất của của ĐCKĐB khi làm việc với từng dải tần
số khác nhau khi momen tải tăng dần.
3.5 Quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ roto ứng với momen tải
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

iii

95

98


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
U1m : Biên độ điện áp song bậc 1
U1,2,3… : Điện áp các pha ở bộ nghịch lưu
αβ : Hệ tọa độ cố định gắn stato.
dq : Hệ tọa độ cố định gắn với từ trường quay.
T1,2,3… : Các tiristo
ψs: Biên độ của từ thông stato
ψA,B,C: từ thông móc vòng của các pha A,B,C stato
ψa,b,c: từ thông móc vòng của các pha a,b,c roto
UA,B,C: Giá trị tức thời của điện áp pha A,B,C stato
iA,B,C: Giá trị tức thời của dòng điện pha A,B,C stato
ia,b,c: Giá trị tức thời của dòng điện pha a,b,c roto
r1: Điện trở pha stato
r2: Điện trở pha roto đã quy đổi về stato
MSR : Ma trận hỗ cảm giữa stato và roto
LR : Ma trận điện cảm và hỗ cảm roto
M: Mômen của động cơ
Mc : Mô men cản
FOC: (Fielded Orient Control) Phương pháp điều khiển tựa từ trường
ĐC KĐB: Động cơ không đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các trạng thái chuyển mạch

15

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc tổng quan của bộ biến tần gián tiếp

7

Hình 1.2. Cấu trúc một số bộ chỉnh lưu sử dụng cho bộ biến tần gián tiếp

7

Hình 1.3. Các cấu trúc của bộ chỉnh lưu cho phép nghịch lưu trả NL về lưới

7

Hình 1.4. Hãm tái sinh khi giảm tốc độ đột ngột

8

Hình 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức

9

Hình 1.6. Cấu trúc phổ biến của bộ biến tần gián tiếp

10

Hình 1.7. Các kĩ thuật PWM cơ bản

11

Hình 1.8. Đặc tính điều khiển của biến tần PWM

12

Hình 1.9. Bộ nghịch lưu hai mức IGBT

15

Hình 1.10. Điện áp các pha ở 6 trạng thái tích cực của bộ nghịch lưu

16

Hình 1.11. Biểu diễn véctơ không gian điện áp ra ở trạng thái khác nhau

16

Hình 1.12. Tạo một véctơ không gian bằng SVM

18

Hình 1.13. Kỹ thuật điều chế véctơ không gian

18

Hình 1.14. Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng điện điển hình

20

Hình 1.15. Sơ đồ nối dây chuyển mạch và dạng dòng điện các pha

21

Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng điện dùng IGBT

22

Hình 1.17. Đặc tính động cơ ở biến tần nguồn áp và nguồn dòng

22

Hình 1.18. Hệ thống biến tần PWM với bộ điều chỉnh dòng điện xoay chiều

24

Hình 1.19. Sơ đồ khối bộ điều chỉnh dòng điện xoay chiều có trễ

26

Hình 1.20. Dạng dòng điện đặt và thực có thể phân tích

27

Hình 1.21. Các đồ thị chuyển mạch dòng (a,b)

27

Hình 1.22. Sơ đồ bộ điều khiển dòng điện PI với khâu so sánh

28

Hình 1.23. Quan hệ thành phần cơ bản điện áp và hệ số điều biến

30

Hình 1.24. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động với bộ điều chỉnh dòng điện trong

31

hệ tọa độ d,q
Hình 1.25. Phân loại các phương pháp điều khiển thay đổi tần số động cơ

34

không đồng bộ
Hình 1.26. Quan hệ U/f

35

v


Hình 1.27. Sơ đồ các khối chính điều khiển theo luật U/f vòng hở

36

Hình 1.28. Phân loại các phương pháp FOC

37

Hình 1.29. Cấu trúc bộ điều khiển hướng trường gián tiếp

38

Hình 2.1. Mô hình đơn giản của động cơ 3 pha roto lồng sóc

41

Hình 2.2. Sơ đồ động cơ không đồng bộ 3 pha

49

Hình 2.3. Sơ đồ biến đổi máy điện 3 pha thành 2 pha

50

Hình 2.4. Véc tơ không gian các đại lượng pha

53

Hình 2.5. Véctơ không gian các đại lượng pha trên hệ tọa độ phức u,v

54

Hình 2.6. Biểu diễn véctơ dòng điện trên hệ tọa độ αβ cố định với stato

58

Hình 2.7. Hệ tọa độ gắn với từ trường quay (hệ dq)

59

Hình 2.8. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tổng quát uv

71

Hình 2.9. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ αβ

72

Hình 2.10. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ αβ

75

hình 3.1 hệ truyền động biến tần – ĐC KĐB mạch hở

85

Hình 3.2 Sơ đồ Matlab hệ thống

86

Hình 3.3 Khối nguồn 3 pha chỉnh lưu có điều khiển

87

Hình 3.4. Khối tạo xung nghịch lưu

87

Hình 3.5 Khối nghịch lưu

88

hình 3.6 Mô phỏng tốc độ, momen, dòng điện khi f = fđm

90

hình 3.7 Mô phỏng tốc độ, momen, dòng điện khi f = 50%fđm

92

hình 3.8 Mô phỏng tốc độ, momen, dòng điện khi f = 10%fđm

94

hình 3.9 các tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe và tổn thất tổng ∆P khi f = fđm = 50Hz

96

hình 3.10 các tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe và tổn thất tổng ∆P khi f = 2/3 fđm

97

hình 3.11 các tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe và tổn thất tổng ∆P khi f = 1/3 fđm

98

hình 3.12 quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ với momen tải = 14,7Nm

99

hình 3.13 quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ với các momen tải khác nhau

100

vi


MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
được sử dụng rất phổ biến do động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản,
không có tiếp xúc điện, làm việc tin cậy, ít phải bảo dưỡng. Thực tiễn hệ
truyền động biến tần động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đã đạt được những
tiến bộ vượt bậc trong vòng hai thập kỷ vừa qua như cho phép điều khiển thời
gian thực với chất lượng điều khiển rất cao đáp ứng những yêu cầu khắt khe
của công nghệ đòi hỏi chủ yếu là nhờ sự phát triển nhanh chóng của công
nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật
điều khiển.
Do một số lượng lớn các hệ truyền động điện sử dụng động cơ không
đồng bộ, điều này cũng có nghĩa là phần lớn năng lượng điện trong công
nghiệp được tiêu thụ bởi hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ. Vì vậy
việc nghiên cứu tìm ra các nguyên nhân để giảm thiểu tổn thất tiêu thụ và
nâng cao hiệu suất cho các hệ truyền động điện là rất cần thiết.
Sau khi hoàn thành, luận văn sẽ góp phần làm rõ lý thuyết cũng như cho

biết một số hướng tính toán để làm giảm tổn thất cũng như tăng hiệu suất của
hệ truyền động động cơ không đồng bộ.
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Dù mang tính thực tiễn và ứng dụng cao nhưng những nghiên cứu về nguồn
chuyển mạch vẫn chưa đầy đủ để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng phức tạp
của thực tế. Mặt khác, do tính cạnh tranh về thương mại mà các nhà sản xuất
có thể đưa ra sản phẩm chất lượng nhưng không công bố lý thuyết kèm theo.
Vì vậy, những người dùng khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu

1


MỞ ĐẦU

cầu riêng là khá khó khăn.
Trong những năm qua ở Việt nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu về
hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, các nghiên cứu
chỉ tập trung chủ yếu vào việc khảo sát chế độ quá độ, một số tập trung
nghiên cứu tìm các khống chế giữ ổn định tốc độ, khảo sát các quá trình năng
lượng trong hệ thống, khảo sát tổn thất trong động cơ khi được cấp nguồn từ
biến tần. Không nhiều nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của động cơ khi làm
việc ở các tần số khác định mức và quá trình phát nóng của hệ thống.
3. Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn
*Mục đích:
Luận văn có mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của động cơ không đồng bộ khi
làm việc ở các tần số định mức khác.
*Nhiệm vụ:
Đánh giá tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số.
Nghiên cứu sâu hơn ảnh hưởng của tần số đến các tổn thất đồng Pcu, sắt
Pfe cũng như hiệu suất của động cơ.

*Phạm vi nghiên cứu:
Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản liên quan tới biến tần.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số đến các tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe cũng
như hiệu suất của động cơ.
4. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu của luận văn
*Cơ sở lý luận:
Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử,
điện tử công suất, máy điện, lý thuyết điều khiển tự động,...

2


MỞ ĐẦU

Các bài báo, tài liệu khoa học, catalog của một số hãng sản xuất,...
Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB.
*Phương pháp nghiên cứu:
Chủ yếu là phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết kết hợp với mô
phỏng.
5. Đóng góp về mặt khoa học của luận văn
Giới thiệu và làm rõ lý thuyết cơ bản về điều khiển động cơ bằng tần số.
Đưa ra các kết quả cụ thể về ảnh hưởng của tần số đến các tổn hao đồng,
sắt cũng như hiệu suất của động cơ..
6. Ý nghĩa thực tế của luận văn
Cung cấp cơ sở lý thuyết và một số nhận xét, đánh giá từ việc mô phỏng cho
việc phân tích hệ truyền động biến tần động cơ.
7. Kết cấu của luận văn
Ngoài lời mở đầu và phần kết luận, nội dung của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan điều khiển động cơ bằng tần số
Chương 2: Mô hình toán động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng

3


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
BẰNG TẦN SỐ
1.1.

BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN TRONG
CÔNG NGHIỆP
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến

tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong
đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần
điều khiển tốc độ động cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong
công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn
định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự
ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự
động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều
khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ
thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi
các thông số nguồn như điện áp, tần số hay các thông số mạch như điện trở
phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ
làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều
chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền

chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
Biến đổi tốc độ quay của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính
phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh
hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ

4


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp
này.
Khảo sát cho thấy:
Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng
quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí
trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công
nghiệp nặng.
Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ
không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với
lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu
thụ.Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
Giảm tiếng ồn công nghiệp.
Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng
chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động
cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc

biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước
kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu
sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị
dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với
biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
5


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch
lưu.
Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy
tu, bảo trì cũng như thay mới.
Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện
áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài
ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start),
tính chất tải… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là
thích hợp nhất trong trường hợp này.
1.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN
Biến tần thường được chia làm hai loại:
- Biến tần trực tiếp
- Biến tần gián tiếp
1.2.1. Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều
không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy
cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử
dụng.

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Đây là cấu trúc của bộ biến đổi tần số phổ biến nhất hiện nay. Về thực
chất thì cấu trúc của bộ biến đổi này là sự kết hợp giữa hai bộ biến đổi là bộ
chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Cấu trúc tổng quát chỉ ra trên hình 1.1.

6


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

a
b
c

A
Mạch
nghịch
lưu

mạch lọc

u1, f1

Mạch
chỉnh
lưu

B

u2, f2

C

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của bộ biến tần gián tiếp

Hình 1.2 Cấu trúc của một số bộ chỉnh lưu sử dung cho bộ biến tần gián tiếp.
a) Chỉnh lưu điot; b) chỉnh lưu Tiristo; c) Chỉnh lưu PWM

* Bộ chỉnh lưu
Hiện nay, có 3 cấu trúc của bộ chỉnh lưu thường được sử dụng như trên
hình 1.2. Bộ chỉnh lưu điốt là cấu trúc phổ biến nhất hiện nay hình 1.2a, và
được sử dụng ở dải công suất biến tần từ khoảng dưới trục kW. Bộ chỉnh lưu
sử dụng điôt hay Tiristo làm méo dạng sóng của điện áp nguồn. Hơn nữa với
bộ chỉnh lưu Tiristo hệ số cosϕ tỷ lệ với góc mở của các Tiristo, do đó làm

Hình 1.3 Các cấu trúc của bộ chỉnh lưu cho phép nghịch lưu trả năng lượng về lưới

7


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

giảm chất lượng của lưới điện. Để khắc phục các nhược điểm đó người ta sử
dụng bộ chỉnh lưu điều biến độ rộng xung (PWM). Bộ chỉnh lưu PWM có ưu
điểm là hệ số cosϕ không đổi và gần như bằng 1 trong suốt dải điều chỉnh.
Nhược điểm của các cấu trúc bộ chỉnh lưu
hình 1.2 là nó chỉ cho phép dòng điện đi
theo một chiều từ lưới vào. Tuy nhiên,

1

2

3

biến tần chủ yếu làm bộ nguồn cho các loại
tải có yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới,

Vï ng h· m
t¸ i sinh

điển hình như động cơ điện. Khi điều
khiển giảm tốc độ động cơ đột ngột, thì
động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ
hãm tái sinh, như trên hình 1.4. Cơ năng từ

Hình 1.4 Hãm tái sinh khi giảm
tốc độ đột ngột

cơ cấu sản xuất sẽ được biến thành điện
năng ở đầu cực động cơ. Điện năng này qua bộ nghịch lưu sẽ tạo ra điện áp
lớn trên tụ lọc. Để điện áp này không tăng quá lớn làm phá hỏng bộ biến tần
thì người ta thường sử dụng một bộ phanh gồm một khóa chuyển mạch và
một điện trở phanh (braking resistor), như chỉ ra trên hình 1.6. Hình 1.3 đưa
ra hai cấu trúc bộ chỉnh lưu cho phép hoàn trả năng lượng về lưới khi tải động
cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Hình 1.3a sử dụng bộ chỉnh lưu thuận
nghịch dùng Tiristo với góc mở của hai bộ đảm bảo điều kiện α1 + α2 = π.
Với cấu trúc này, khi xảy ra hãm tái sinh, bộ cầu thứ hai sẽ nghịch lưu cho
phép dòng điện chạy từ mạch lọc trả về lưới. Với sơ đồ hình 1.3b, khi động cơ
làm việc ở chế độ động cơ thì 6 điôt sẽ tạo thành một bộ cầu chỉnh lưu và cấp
nguồn một chiều cho phần mạch phía trong. Khi xảy ra hãm tái sinh, do điện

áp trên mạch lọc tăng lên, nên các điốt sẽ bị khóa lại, và mạch điều khiển
nghịch lưu sẽ mở các van IGBT theo một trình tự nhất định để thực hiện hoàn
trả năng lượng về nguồn lưới.
8


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

* Mạch lọc
Có hai vị trí trong một biến tần gián tiếp cần bộ lọc là sau chỉnh lưu và
sau nghịch lưu.
+ Bộ lọc sau bộ nghịch lưu: Do điện áp sau bộ nghịch lưu thường có
dạng các xung vuông, có nghĩa là ngoài thành phần sóng cơ bản thì chúng còn
chứa rất nhiều các sóng điều hòa bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao này gây
ra tổn hao phụ và mômen rung trên động cơ. Bộ lọc này có tác dụng lọc các
thành phần hài bậc cao này. Bộ lọc này thường sử dụng bộ lọc cộng hưởng
LC, hoặc bộ lọc thông thấp (ít dùng hơn do nó gây suy giảm cả thành phần cơ
bản).
+ Bộ lọc san phẳng sau chỉnh lưu: Đầu ra của bộ chỉnh lưu là điện áp một
chiều với các chỏm hình sin mấp mô. Bộ lọc này có tác dụng san phẳng các
đỉnh sin này. Ngoài ra bộ lọc này còn có một tác dụng quan trọng khác, đó là
nó tránh làm gián đoạn hoạt động của biến tần khi xảy ra các gián đoạn ngắn
hạn hoặc thấp áp ngắn hạn của nguồn cung cấp, làm giảm độ nhạy cảm của hệ
thống đối với các biến động của nguồn. Phần tử cấu tạo nên bộ lọc này còn
quyết định tên gọi của loại biến tần. Với biến tần nguồn dòng thì bộ lọc này là
cuộn dây điện cảm, còn với biến tần nguồn áp thì bộ lọc là tụ điện.* Mạch
nghịch lưu
Có rất nhiều cấu trúc mạch nghịch lưu đã được đưa ra trong những năm vừa

Hình 1.5 Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức

9


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

qua. Phụ thuộc vào loại nguồn người ta phân thành hai loại: nghịch lưu nguồn
áp và nghịch lưu nguồn dòng.
Trên hình 1.5 là sơ đồ của bộ nghịch lưu ba mức, còn trên hình 1.6 (phần
nghịch lưu) là bộ nghịch lưu hai mức. Đó là những cấu trúc các bộ nghịch lưu
phổ biến nhất hiện nay. Số mức càng lớn thì ta càng tạo ra được nhiều bậc của
điện áp ra, và nhờ đó giảm được biên độ của các sóng hài đặc biệt là các sóng
hài bậc thấp khó lọc, và giảm bớt số lần chuyển mạch của các van bán dẫn.
Chỉnh lưu
ố

Phanh

Nghịch lưu PWM

Lọc
T1

~ U1, f1

T3

T5

T7
~U2

f2
Rb

T4

T6

T2

Hình 1.6 Cấu trúc phổ biến của bộ biến tần gián tiếp

Cấu trúc của bộ biến tần công nghiệp có số lượng đơn vị bán nhiều nhất
trên thị trường hiện nay có cấu trúc như trên hình 1.6. Phần chỉnh lưu là bộ
chỉnh lưu cầu điôt ba pha. Mạch lọc thường là một số tụ một chiều mắc song
nhau nhằm làm tăng trị số tụ. Mạch nghịch lưu là bộ nghịch lưu hai mức bằng
IGBT. Với khối phanh, van T7 thường nằm sẵn bên trong bộ biến tần, còn
điện trở phanh thường được lắp rời bên ngoài nhằm tránh phát nóng bên trong
biến tần. Hầu hết các biến tần công nghiệp hiện nay còn cho phép cài đặt khối
phanh riêng và điều khiển từ bên ngoài (không dùng T7).

10


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

1.3. ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN BẰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ
RỘNG XUNG (PWM)
Phần này chỉ tập trung giới thiệu các kỹ thuật điều khiển bộ biến tần gián
tiếp. Việc điều khiển bộ biến tần này cũng chủ yếu tập trung vào việc điều
khiển bộ nghịch lưu mà cụ thể hơn là việc điều khiển đóng cắt các van bán

dẫn của phần nghịch lưu.
Udc
usc

Udc
isc

Bộ điều
biến

i

us

us
a)

Bộ điều khiển
PWM

b)

Phía AC (Tải)

Phía AC (Tải)

Hình 1.7. Các kỹ thuật PWM cơ bản: a) điều khiển điện áp vòng hở, b) điều
khiển dòng điện vòng kín

Có hai phương pháp cơ bản điều khiển phần nghịch lưu này là phương

pháp điều khiển chế độ xung vuông SWM (square-wave mode) và chế độ
PWM. Kỹ thuật SWM cho chất lượng điện áp ra xấu nên ngày nay rất ít được
sử dụng. Do đó ngày nay, kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu thường gắn với
kỹ thuật PWM. Có hai kỹ thuật PWM cơ bản là kỹ thuật điều khiển điện áp
vòng hở và kỹ thuật điều khiển dòng điện vòng kín (hình 1.7). Trong các
phương pháp PWM điều khiển điện áp vòng hở ta có thể chia ra làm hai
phương pháp cơ bản là phương pháp PWM dựa trên sóng mang CB-PWM
(Carrier-Based PWM) và điều biến vectơ không gian SVM (Space Vector
Modulation). Kỹ thuật điều khiển dòng điện vòng kín, ngoài nhiệm vụ điều
biến (xác định các trạng thái chuyển mạch van) còn làm nhiệm vụ bù/khử sai
số dòng điện (do thay đổi thông số tải, điện áp rơi và thời gian chết trên
11


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

van,..) do đó các bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật này cho chất lượng cực tốt,
khử quá tải, bảo vệ dòng điện cực đại, điều khiển dạng sóng dòng điện tức
thời và chính xác. Tuy nhiên do thời gian có hạn tác giả chỉ giới thiệu qua về
kỹ thuật PWM điều khiển điện áp vòng hở.
Để tiện so sánh giữa các phương pháp, người ta đưa ra một số những
định nghĩa sau:
- Chỉ số điều biến biên độ (Modulation index), có hai chỉ số điều biến là chỉ
số M và m được định nghĩa:
M = U1m/U1m6

(1.1)

m = Um/Um(t)

(1.2)

Uab(rms)
Udc
0,78
0,703
0,612

ZSS
1

SPWM

1

- vùng tuyến tính

2 - vùng quá điều
ế
3 - điều biến 6 bước

2

3
m
3,24

1 1,15

M

0,785 0,907

1,0
Hình 1.8 Đặc tính điều khiển của biến tần PWM

trong đó
U1m : biên độ điện áp sóng bậc một (cơ bản) của điện áp đầu ra biến tần trong
phương pháp điều biến xét.
U1m6 : biên độ điện áp sóng bậc một của điện áp đầu ra biến tần hoạt động ở
chế độ 6 bước (six-step mode).
12


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

Um và Um(t) : biên độ của điện áp tín hiệu sóng điều biến và sóng mang.
- Tỷ số điều biến tần số: mf = fc/fr
1.3.1 Phương pháp điều biến dựa trên sóng mang CB-PWM
Nguyên lý chung của các phương pháp điều biến dựa trên sóng mang là
sử dụng một sóng mang tam giác có tần số cao so sánh với ba sóng điều biến
Ua*, Ub*, Uc* (còn gọi là sóng chuẩn hay sóng lệnh – reference, command, RS)
có tần số mong muốn và độ lớn tỷ lệ với điện áp xoay chiều mong muốn để
xác định các thời điểm chuyển mạch của các van bán dẫn.
Có thể phân làm hai loại nhỏ là CB-PWM với sóng điều biến hình sin
(PWM hình sin) và CB-PWM với sóng điều biến hình sin cộng với một sóng
hài thứ tự không (CB-PWM thứ tự không).
*) PWM hình sin (SPWM):
PWM hình sin, sóng mang là sóng tam giác có tần số cao còn sóng điều
biến là hình sin. Để thay đổi điện áp ra ta thay đổi biên độ của sóng điều biến.

Tần số của sóng điều biến cũng chính là tần số của thành phần cơ bản của
điện áp ra.
Đặc điểm của SPWM:
- Tần số của sóng mang thường được giữ không đổi, do đó phổ hài điện áp
đầu ra thường tập trung ở quanh tần số chuyển mạch và bội số của tần số
chuyển mạch.
- Vùng tuyến tính điều biến hẹp với chỉ số điều biến lớn nhất Mmax = π/4 =
0,785 (m = 1), có nghĩa là khi biên độ của điện áp sóng điều biến và sóng
mang bằng nhau.
Quan hệ giữa các chỉ số điều biến và điện áp ra của phương pháp SPWM
được thể hiện trên hình 1.13.
13


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

*) CB-PWM cộng với một sóng thứ tự không (ZSS):
Từ cấu hình mạch có trung tính tải ba pha cách ly (hình 1.13), ta thấy các
dòng điện pha chỉ phụ thuộc vào điện áp dây. Do đó, nếu ta đưa thêm cùng
một lượng điện áp vào các pha trong kỹ thuật CB-SPWM, thì chỉ làm thay đổi
giá trị trung bình của chúng mà không làm ảnh hưởng đến các dòng điện xoay
chiều. Dựa trên nhận xét này, Hava, Kerkman, Lipo, và Blasko (1997) đã đưa
ra một kỹ thuật PWM lai hay PWM suy rộng. Trong kỹ thuật PWM lai, người
ta cộng thêm một sóng của một hệ thống thứ tự không, thường là hài bậc ba,
vào sóng điều biến hình sin nhằm làm mở rộng của vùng tuyến tính lên tới
Mmax= π / 2 3 =0,907 (hình 1.8). Cũng do việc cộng thêm thành phần thứ tự
không, nó đã làm vùng đỉnh của sóng điều biến phẳng đi, làm giảm tần số
chuyển mạch của các van bán dẫn, do đó làm giảm tổn thất chuyển mạch.
Có rất nhiều kiểu tín hiệu ZSS khác nhau, mỗi kiểu cho ta một phương
pháp PWM khác nhau, và có thể chia làm hai nhóm là điều biến liên tục

(CPWM) và không liên tục (Discontinuous - DPWM).
Điều biến liên tục là loại được biết đến nhiều nhất với sóng thứ tự không
là một sóng bậc ba hình sin (còn gọi là điều biến hài bậc ba). Biên độ của
sóng thứ tự không so với sóng hình sin sẽ quyết định chất lượng của điện áp
và dòng điện ra của bộ nghịch lưu. Với điều biến liên tục CPWM nếu sóng
ZSS thêm vào hình sin có biên độ bằng ¼ biên độ của sóng sin điều biến thì
các hài dòng điện đầu ra là nhỏ nhất, trong khi nếu biên độ của ZSS bằng 1/6
biên độ của sóng sin điều biến thì sẽ cho ta vùng điều biến tuyến tính rộng
nhất.
Trong phương pháp điều biến không liên tục DPWM, sóng điều biến tạo
ra những vùng/đoạn 600 không điều biến (các van không chuyển mạch). Nhờ
vậy, tổn thất chuyển mạch có thể giảm được tới 33%.
14


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số
+
T1

Udc/2

T5

T3

0

c

b

a
T4

N

T6

T2

Động cơ

Udc/2

Hình 1.9 Bộ nghịch lưu hai mức IGBT

1.3.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM)
Nguyên lý cơ bản của phương pháp SVM dựa trên vị trí trong không
gian của các vectơ điện áp đầu ra xoay chiều của bộ nghịch lưu.
Giả sử ta có cấu hình của bộ nghịch lưu hai mức như hình vẽ 1.9. Với
sáu van IGBT, và với đảm bảo không để xảy ra ngắn mạch nguồn, tức là hai
van của cùng một nhánh (T1 và T4, T3 và T6, hoặc T5 và T2) không được đồng
thời đóng-ON, ta có 23 = 8 trạng thái chuyển mạch có thể xảy ra từ U0÷U7,
xem bảng 1.1. Trong đó, kí hiệu vectơ U1(100) có nghĩa là pha a của động cơ
nối với +Vdc hay nhánh đầu tiên T1 đóng, pha b và pha c nối với –Vdc hay
nhánh thứ hai và thứ ba T6 và T2 đóng. Tương tự với các vectơ còn lại.
Bảng 1.1 Các trạng thái chuyển mạch van của biến tần SVM
Trạng thái

uab

ubc

uca

ua

ub

uc

Vectơ

0

0

0

0

0

0

0

U0(000)

1

+Udc 0

-Udc

+2/3Udc -1/3Udc

-1/3Udc

U1(100)

2

0

+1/3Udc +1/3Udc -2/3Udc

U2(110)

+Udc -Udc

15


Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số

3

-Udc

+Udc 0

4

-Udc

0

+Udc -2/3Udc

+1/3Udc +1/3Udc U4(011)

5

0

-Udc

+Udc -1/3Udc

-1/3Udc

+2/3Udc U5(001)

6

Udc

-Udc

0

+1/3Udc -2/3Udc

+1/3Udc U6(101)

7

0

0

0

0

0

ua

U1

-1/3Udc

U2

+2/3Udc -1/3Udc

0

U5

U4

U5

U3(010)

U7(111)

U6

2/3Udc

ub
-2/3Udc
uc
-2/3Udc
Hình 1.10 Điện áp các pha ở 6 trạng thái tích cực của bộ nghịch lưu
Im
U3
U2

Nếu ta cho điều biến liên tục lần lượt
sáu vectơ tích cực từ U1 đến U6, ta sẽ có

us* U1

U4

một chu kỳ của điện áp ra, xem hình 1.10.

U0,U7

Re

Ta thấy điện áp pha ra có dạng bậc thang
với sáu bước trong một chu kỳ, và vì vậy
cách điều biến này được gọi là chế độ điều

16

U5

U6

Hình 1.11 Biểu diễn vectơ không
gian điện áp ra ở các trạng thái
khác nhau của bộ biến đổi