Nghiên cứu ứng dụng multilevel inverter trong hệ thống điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ

Mục lục
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC ..................................... 1
1.1. Tổng quan về biến tần ...................................................................................... 1
1.1.1. Biến tần trực tiếp (cycloconverter) ............................................................ 2
1.1.2. Biến tần gián tiếp....................................................................................... 3
1.2. Nghịch lưu đa mức ........................................................................................... 5
1.2.1. Bộ nghịch lưu diode kẹp – NPC (Neutural Point Clamped Multilevel
Inverter). ……………… ..................................................................................... 5
1.2.2. Bộ nghịch lưu dạng tụ bay FLC - VSC (Flying capacitor Voltage Source
connverter). ....................................................................................................... 11
1.2.3. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel
inverter). ........................................................................................................... 17
1.2.4. Quá trình chuyển mạch ........................................................................... 20
1.2.5. Kết luận ................................................................................................... 26
1.3. Kết luận chung ................................................................................................ 27
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƢU ĐA MỨC
KIỂU CẦU H NỐI TẦNG ...................................................................................... 28
2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa mức kiểu cầu
H nối tầng .............................................................................................................. 28
2.1.1. Phương pháp điều chế dịch pha sóng mang ............................................ 28
2.1.2. Phương pháp điều chế dịch mức đa sóng mang ..................................... 32
2.1.3. So sánh 2 giản đồ điều chế PWM kiểu dịch pha và kiểu dịch mức. ....... 34
2.1.3. Mô phỏng phương pháp PWM kiểu dịch pha cho nghịch lưu cầu
H………………………………………………………………………………40
2.2. Phương pháp điều chế SVM........................................................................... 43
2.2.1. Xác định sector ........................................................................................ 45
2.2.2. Xác định vị trí tam giác ........................................................................... 45
2.2.3. Tính các giá trị Ta, Tb, Tc ở sector A ..................................................... 47
2.2.4. Tính gía trị các thanh ghi PWM ở sector A ............................................ 48

2.2.5. Tính giá trị thanh ghi ở sector bất kỳ ...................................................... 49
2.2.6. Mô phỏng thuật toán SVM ...................................................................... 50
2.3. Kết luận chung ................................................................................................ 52
Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................... 54
3.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ ba pharotor lồng sóc ............................... 54
3.1.1. Tổng quát ................................................................................................. 54
3.1.2. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ.............................................. 55
3.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ........................ 61
3.2.1. Điều khiển tựa từ thông – FOC ............................................................... 61
3.2.2. Điều khiển trực tiếp momen – DTC ........................................................ 66
3.3. Kết luận chung ................................................................................................ 75
Chƣơng 4: ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN CÙNG ĐIỀU CHẾ SVM
(DTC - SVM) ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN ĐA MỨC ..... 76
4.1. Tổng quan................................................................................................... 76
4.2. Tổng quan về DTC - SVM………………………………….……………76
4.2.1. Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển từ thông ...................................... 76
4.2.2. Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển momen ........................................ 78
4.2.3. Sơ đồ DTC – SVM sử dụng cả bộ điều khiển từ thông và momen trong
hệ tọa độ cực…. ................................................................................................ 79
4.2.4. Sơ đồ DTC – SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ trục
tọa độ quay với từ thông stato ........................................................................... 80
4.2.5. Kết luận về các cấu trúc DTC – SVM ..................................................... 80
4.3. Phân tích thiết kế bộ điều khiển từ thông và momen cho phương pháp DTC–
SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ tọa độ quay với
stato……………………………………………………………………………...81
4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển từ thông. ............................................................. 84
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển momen ................................................................ 86
4.4. Ước lượng trong thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ ................... 88
4.4.1. Ước lượng điện áp đầu ra bộ biến đổi ..................................................... 90

4.4.2. Ước lượng vector từ thông stato.............................................................. 91
4.4.3. Ước lượng momen................................................................................... 93
4.5. Áp dụng phương pháp DTC – SVM cho nghịch lưu ba mức cầu H .............. 93
4.6. Mô phỏng thuật toán DTC – SVM và thuật toán DTC .................................. 94
4.6.1. Mô phỏng phương pháp DTC ................. Error! Bookmark not defined.
4.6.2. Mô phỏng thuật toán DTC – SVM .......................................................... 96
4.6.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 98
4.7. Kết luận chung.............................................................................................. 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 101
Kết luận: .............................................................................................................. 101
Kiến nghị: ............................................................................................................ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 102
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………103


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Mô hình biến tần ........................................................................................... 1
Hình 1.2. Biến tần trực tiếp sơ đồ hình tia 3 pha.......................................................... 2
Hình 1.3. Biến tần nguồn dòng sơ đồ 3 pha.................................................................. 4
Hình 1.4. Biến tần nguồn áp sơ đồ 3 pha...................................................................... 4
Hình 1.5. Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 3-level mức................... 6
Hình 1.6. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a) P  0 và (b) O  N .................. 8
Hình 1.6. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (c) P  0 và (d) O  N . ................. 9
Hình 1.7. Điện áp điều khiển pha a, điên áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu
3L-NPC........................................................................................................................ 10
Hình 1.8. Bộ nghịch lưu dạng 3L-FLC SVC ............................................................... 12
Hình 1.9. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a,b) P  0 và (c,d) O  N . ......... 13
Hình 1.10. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái (a,b) P  0 và (c,d) O  N ........ 15
Hình 1.11. Xung điều khiển, điện áp pha và điện áp dây pha a của bộ nghịch lưu

3L-FLC. ....................................................................................................................... 16
Hình 1.12. Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu nối tầng. .............................. 18
Hình 1.13. Cấu hình của một cell cầu của bộ nghịch lưu CBH.................................. 19
Hình 1.14. Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái ............................................. 21
Hình 1.15. Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 1 và 4 .................................... 22
Hình 1.16. Quá trình chuyển mạch của các trạng thái 7 và 14 .................................. 22
Hình 1.17. Quá trình chuyển mạch của trạng thái 16 ................................................ 23
Hình 1.18. Cấu trúc của bộ nghich lưu n mức kiểu nối tầng ...................................... 24
Hình 2.1. Cấu trúc nghịch lưu cầu H 7 mức ứng với pha A ....................................... 29
Hình 2.2. Phương pháp PWM kiểu dịch pha cho biến tần 7 mức (mf = 3, ma = 0. 8,
fm = 60Hz, fcr =180Hz) ................................................................................................ 29
Hình 2.3. Dạng sóng điện áp và sóng hài của nghịch lưu 7 mức với điều kiện fm =
60Hz, mf = 10, ma = 1. ............................................................................................... 31
Hình 2.4. Các phương pháp điều chế kiểu dịch mức ................................................. 32


Hình 2.5. Điều chế IPD cho biến tần 7 mức hoạt động với thông số mf = 15,
ma = 0,8, fm = 60Hz, fcr = = 900HZ ............................................................................ 33
Hình 2.6. Dạng điện áp ra tương ứng của 2 phương pháp......................................... 35
Hình 2.7. Thành phần sóng hài tương ứng của 2 phương pháp ................................. 35
Hình 2.8. Phân bố sóng điều hoà ................................................................................ 38
Hình 2.9. Đồ thị điều chế PWM .................................................................................. 39
Hình 2.10. Mô hình mô phỏng nghịch lưu ba mức sử dụng điều chế PWM .............. 40
Hình 2.11. Điện áp pha A............................................................................................ 41
Hình 2.12. Điện áp dây UAB ...................................................................................... 41
Hình 2.13. Dòng điện pha A........................................................................................ 42
Hình 2.14. Phổ sóng hài của dòng điện pha A ........................................................... 42
Hình 2.15. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc. ....................................... 43
Hình 2.16. Phương pháp điều chế vector không gian SVM cho nghịch lưu ba mức
cầu H ........................................................................................................................... 44

Hình 2.17. Vector điện áp quay Vref ........................................................................... 45
Hình 2.18. Các vector ở sector A ................................................................................ 46
Hình 2.19. Phân tích vector không gian thành hai giá trị m1 và m2 .......................... 46
Hình 2.20. Gía trị Ta, Tb, Tc trong mỗi tam giác của sector A ................................. 47
Hình 2.21. Xung điều khiển pha B sinh ra do các thanh ghi PWM ............................ 48
Hình 2.22. Mô hình mô phỏng SVM cùng nghịch lưu 3 mức cầu H ........................... 50
Hình 2.23. Thuật doán điều chế SVM ......................................................................... 51
Hình 2.24. Điện áp pha A............................................................................................ 51
Hình 2.25. Điện áp pha UAB ...................................................................................... 52
Hình 2.26. Dòng điện pha A........................................................................................ 52
Hình 2.27. Phổ sóng hài của dòng điện pha A ........................................................... 52
Hình 0.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. ............................ 55
Hình 0.2. Biểu diễn vector không gian. ....................................................................... 56
Hình 3.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ    .................... 60


Hình 3.4. Sơ đồ vector của động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ    và
hệ trục toạ độ (d-q) ..................................................................................................... 61
Hình 3.5. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ (d-q)......................... 63
Hình 3.6. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông trực tiếp – DFOC... 64
Hình 3.7. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông gián tiếp – IFOC .... 65
Hình 3.8. Sơ đồ vector của động cơ không đồng bộ ................................................... 67
Hình 3.9. Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu tương ứng với các vector ..................... 68
Hình 3.10. Thuật toán 6 bước a) Sóng điện áp và từ thông; b) quỹ đạo từ thông ...... 69
Hình 3.11. Thuật toán điều chế PWM a) Sóng điện áp và từ thông; b) quỹ đạo từ
thông ............................................................................................................................ 70
Hình 3.12. Qũy đạo từ thông stato với việc lựa chọn vector điện áp ......................... 70
Hình 3.13. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp momen .............................. 71
Hình 3.14. Bộ điều khiển băng trễ a) hai mức; b) ba mức ......................................... 72
Hình 3.15. Các sector trong phương pháp DTC ......................................................... 73

Hình 3.16. Lựa chọn vector điện áp khi vector từ thông ở sector 1 ........................... 74
Hình 4.1. Sơ đồ DTC – SVM cùng bộ điều khiển từ thông ......................................... 77
Hình 4.2. Sơ đồ điều khiển DTC – SVM với bộ điều khiển mô men ........................... 78
Hình 4.3. Giản đồ vector ............................................................................................. 78
Hình 4.4. Sơ đồ DTC – SVM hoạt động trong tọa độ cực từ thông stato ................... 79
Hình 4.5. Sơ đồ DTC –SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ toạ độ
quay với từ thông stato ................................................................................................ 80
Hình 4.6. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato.. 82
Hình 4.7. Mô hình đơn giản động cơ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato (x-y)... 83
Hình 4.8. Bộ điều khiển từ thông và momen theo mô hình đơn giản động cơ ............ 83
Hình 4.10. Vòng điều khiển biên độ từ thông stato..................................................... 84
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển từ thông ở các tần số trích
mẫu khác nhau a) f s  10 KHz ; b) f s  5KHz ; c) f s  2.5KHz . .................................. 86
Hình 4.12. Sơ đồ vòng điều khiển mô men .................................................................. 87


Hình 4.13. Đáp ứng momen trong việc lựa chọn hệ số K pM , tại các tần số trích mẫu
khác nhau a) f s  5KHz ; b) f s  10 KHz .................................................................... 88
Hình 4.14. Các lớp phương pháp tính biến trạng thái của động cơ không đồng bộ .. 89
Hình 4.15. Các tín hiệu đầu vào khâu ước lượng ....................................................... 91
Hình 4.16. Ước lượng từ thông theo mô hình điện áp sử dụng tích phân .................. 92
Hình 4.17. Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp cùng lọc thông thấp ........ 92
Hình 4.18. Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp sử dụng thuật toán bù lọc
thông thấp (VM – CLPF) ............................................................................................ 93
Hình 4.19. Sơ đồ điều khiển DTC – SVM cho nghịch lưu đa mức.............................. 94
Hình 4.20. Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp
DTC ............................................................................................................................. 95
Hình 4.21. Thuật toán điều khiển DTC ....................................................................... 96
Hình 4.22. Bảng chuyển mạch theo phương pháp DTC ............................................. 96
Hình 4.23. Mô hình mô phỏng điều động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp

DTC – SVM ................................................................................................................. 97
Hình 4.24. Thuật toán DTC – SVM ............................................................................. 98
Hình 4.25. Đáp ứng momen (a) Phương pháp DTC; (b) Phương pháp DTC – SVM
cho nghịch lưu ba mức cầu H ..................................................................................... 99
Hình 4.26. Đáp ứng từ thông a) Phương pháp DTC; Phương pháp DTC – SVM sử
dụng nghịch lưu ba mức cầu H ................................................................................. 100


Danh mục bảng
Bảng 1.1. Trạng thái các khóa ở một pha của bộ nghịch lưu 3L-NPC VSC…………7
Bảng 1.2. Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 3L-FLC…..12
Bảng 1.3. Quá trình dẫn dòng của các khóa ở mỗi pha của bộ 3L-FLC……………15
Bảng 1.4. Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 5L-CHB…..20
Bảng 1.5. Số trạng thái của các mức điện áp của bộ nghịch lưu dạng CHB……….25
Bảng 1.6 Bảng so sánh cấu hình của các loại biến tần đa mức……………………...26
Bảng 2.1 . So sánh phương pháp điều chế PWM dịch pha và dịch mức…………….36
Bảng 2.2 Tổng kết các mức điện áp ra…………………………………………………..38
Bảng 2.2. Gía trị thanh ghi ở mỗi tam giác……………………………………………..49
Bảng 2.3. Gía trị điện áp tương đương ở các sector…………………………………..49
Bảng 3.1. Bảng chuyển mạch……………………………………………………………..74
Bảng 4.1. Tính toán thông số bộ điều khiển từ thông theo tiêu chuẩn tối ưu đối
xứng…………………………………………………………………………………………..85
Bảng 4.2. Thông số của bộ điều khiển momen…………………………………………87


Mở đầu
Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được sử dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công
nghiệp… Khi hoạt động ở dải điện áp thấp thì cấu trúc nghịch lưu hai mức được sử
dụng khá phổ biến, tuy nhiên khi nghịch lưu hoạt động ở dải điện áp cao thì cấu trúc

nghịch lưu hai mức không còn được sử dụng nữa, thay vào đó là nghịch lưu đa mức
với những cấu hình rất phức tạp. Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức là điện
áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng
thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần
số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường
hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn.
Nghịch lưu đa mức sử dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ hoàn
toàn tương tự như nghịch hai mức, có sử dụng sơ đồ điều khiển tựa từ thông roto –
FOC. Tuy nhiên khi sử dụng sơ đồ DTC cho nghịch lưu đa mức chúng ta rất khó
khăn trong việc thành lập bảng chuyển mạch. Vì vậy trong luận văn này tác giả đi
sâu nghiên cứu phương pháp DTC – SVM sử dụng để điều khiển nghịch lưu đa
mức.
Luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng multilevel inverter trong hệ thống điều
khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ ” gồm 4 chương.
Chương 1 Tổng quan về nghịch lưu đa mức.
Chương 2 Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức kiểu cầu H.
Chương 3 Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4 Điều khiển trực tiếp moment và SVM (DTC – SVM) ứng dụng
cho nghịch lưu kiểu cầu H.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hóa Xí
Nghiệp Công Nghiệp, đặc biệt là thầy giáo TS. Trần Trọng Minh đã giúp em hoàn
thành bản luận văn này. Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn nhiều hạn chế
và thiếu sót. Em kính mong được sự góp ý và hướng dẫn của các thầy cô để bản
luận văn được hoàn thiện hơn.


Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013
Học viên thực hiện

Nguyễn Thịnh

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC
1.1.

Tổng quan về biến tần

Bộ biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số cố định (thông thường
từ tần số công nghiệp 50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi nhờ các khoá điện tử.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng
phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều nghành công nghiệp.
Trước hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không
đồng bộ cùng lúc như các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải,
băng lăn, … Phương pháp điều chỉnh này còn được áp dụng cả trong những thiết bị
đơn lẻ, nhất là ở những cơ cấu yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy
mài….

Hình 1.1. Mô hình biến tần.
Bộ biến tần được nối vào lưới có tần số f1, U1 không đổi. Đầu ra của nó là f2, U2
biến đổi được. Để biến đổi tần số, người ta có thể dùng các thiết bị máy điện hoặc
thiết bị bán dẫn với nguyên lý hoạt động và cấu trúc khác hẳn nhau.
 Ưu điểm:
 Là phương pháp có rất nhiều triển vọng.
 Khi sử dụng các bộ biến tần thích hợp có thể đạt được điều chỉnh trơn.
 Sử dụng cùng với động cơ không đồng bộ nên giảm được chi phí máy điện.
 Nhược điểm:
 Bộ biến tần còn tương đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao.
 Nếu sử dụng bộ biến tần gián tiếp hiệu suất sẽ giảm đi so với biến tần trực
tiếp.

-1-


Trong thực tế thường chọn động cơ không đồng bộ với phương pháp biến đổi tần số
là vì các lý do chủ yếu sau đây:
 Đây là loại máy điện có kết cấu đơn giản.
 Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như đời sống.
 Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vận
hành và sử dụng.
 Biến tần là thiết bị hiện đại, trong tương lai sẽ được sử dụng nhiều hơn khi
mà các thiết bị bán dẫn với ưu thế ngày càng phát triền.
 Có khả năng lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, nền tảng cho phát triển
sau này.
 Và cuối cùng là tính kinh tế của sử dụng biến tần.
Tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật kinh tế mà ta có thể xác định đựơc các cấu trúc cơ bản
của hệ biến tần động cơ, theo đó có thể chia thành các loại bộ biến đổi sau:
 Bộ biến tần trực tiếp: điện áp lưới tần số công nghiệp được biến đổi trực tiếp
thành tần số khác và cung cấp cho động cơ.
 Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp lưới trước khi cung cấp cho tải được chỉnh lưu
thành điện áp một chiều, điện áp một chiều sau đó được biến đổi thành điện
áp xoay chiều cung cấp cho tải.
1.1.1. Biến tần trực tiếp (cycloconverter)
Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc
thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rôto lồng sóc, các động cơ rôto dây quấn
cấp bởi 2 nguồn, các động cơ đồng bộ.

Hình 1.2. Biến tần trực tiếp sơ đồ hình tia 3 pha.
-2-

Biến tần loại này có cấu trúc rất đơn giản. Điện áp vào xoay chiều u1 (tần số f1)
chỉ cần qua một mạch van là chuyển ra tải với tần số khác và cho phép hãm tái sinh
năng lượng mà không cần có mạch điện phụ nên biến tần này có hiệu suất biến đổi
năng lượng cao. Cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra
của biến tần trực tiếp với dạng điện áp ra gần hình sin.
Nhược điểm: hệ số công suất thấp, số lượng các van bán dẫn trên mạch lực khá
nhiều và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van này cũng như tần số điều
chỉnh f2 có giới hạn trên là tần số nguồn cung cấp f1. Vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có
biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 ≤ f1. Về nguyên tắc có thể lập
biến tần với f2 ≥ f1 song mức độ phức tạp sẽ tăng lên nhiều.
1.1.2. Biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu. Bộ biến tần gián tiếp này
khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một chiều. Nhờ có khâu trung
gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch lưu cách ly nhau và điều
chỉnh độc lập nhau.
Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp đựơc chỉnh lưu thành nguồn một chiều
nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển sau đó được lọc và bộ nghịch
lưu sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều 3 pha có tần số biến đổi cung cấp
cho động cơ. Đa số các biến tần có chỉnh lưu không điều khiển vì nếu điều chỉnh
trong phạm vi rộng thì sẽ làm tăng kích thước bộ lọc giảm hiệu suất bộ biến đổi.
Chức năng biến đổi tần số sẽ thông qua bộ nghịch lưu.
Dễ thấy việc phải biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.
Tuy nhiên, loại biến tần này có các ưu điểm nổi bật như:
 Có khả năng điều chỉnh tần số theo tốc độ đặt mong muốn, cho phép thay đổi
dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới
f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển.


Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không

đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi.



Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.

-3-


a. Biến tần nguồn dòng

Hình 1.3. Biến tần nguồn dòng sơ đồ 3 pha.
Khâu trung gian là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn dòng cho bộ nghịch
lưu.
 Ưu điểm:
 Có khả năng trả năng lượng về lưới.
 Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện luôn đựơc giữ không đổi.
 Phù hợp với dải công suất lớn hơn 100 kV.
 Nhược điểm:
 Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
 Cồng kềnh vì có cuộn kháng.
 Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải nhất là tải nhỏ.
Do đó với ứng dụng cho bộ biến tần trung áp thì rõ ràng biến tần nguồn dòng là
không phù hợp và không có tính kinh tế.
b. Biến tần nguồn áp

Hình 1.4. Biến tần nguồn áp sơ đồ 3 pha.

-4-

Khâu trung gian là tụ Cf, thực hiện chức năng nguồn áp cho biến tần.
 Ưu điểm:
 Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30KV
 Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1)
 Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện do tải quy
định
 Có thể áp dụng kỹ thuật PWM điều biến độ rộng xung để giảm tổn hao do
sóng hài bậc cao gây ra, khử đập mạch mômen.
 Nhược điểm:
Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về lưới phải mắc
thêm một khâu chỉnh lưu ngược mắc song song ngược với khâu chỉnh lưu ban đầu
hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4Q.
Trong thực tế, loại biền tần nguồn áp với các thuật toán điều khiển hiện đại, có
khả năng cho điện áp 3 pha ra có dạng sin, chất lượng điện áp ra tốt, khử được
thành phần sóng hài, được sử dụng nhiều hơn trong thực tế đối với mảng trung áp.
1.2.

Nghịch lƣu đa mức

Phần quan trọng nhất của một bộ biến tần gián tiếp là bộ nghịch lưu. Thông
thường ở các ứng dụng công suất nhỏ nghịch lưu thường là bộ biến đổi nguồn áp
hai mức, tuy nhiên ở tần số cao người ta thường sử dụng các loại nghịch lưu đa mức
vì những lý do:
-

Tần số điều chế PWM thấp.

-

Điện áp trên van thấp.

-

Vẫn đảm bảo chất lượng sóng hài điện áp ra.

Do vậy trong phần này chúng ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của
một số bộ nghịch lưu đa mức cơ bản.
1.2.1. Bộ nghịch lưu diode kẹp – NPC (Neutural Point Clamped Multilevel
Inverter)

-5-


a. Cấu trúc
Bộ nghịch lưu diode kẹp sử dụng các diode kẹp và tụ điện một chiều mắc nối
tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức. Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3-level ,
4-level, 5-level… Cơ bản nhất là bộ nghich lưu 3-level được mô tả ở hình 1.5. Mỗi
pha của bộ nghịch lưu được cấp nguồn cùng môt đường DC-bus. Điện áp một chiều
được chia ra thành 3 mức bởi các tụ điện C1-C2 ghép nối tầng, để tạo ra các điểm
trung tính ảo (Neutral point). Điện áp đặt trên mỗi tụ điện là: Udc/2, điện áp đặt lên
mỗi khóa được giới hạn ở mức Udc/2 thông qua các diode kẹp D1x÷ D2x, các diode
_

này được gọi là diode chốt điểm chung tính. Khi các khóa S1a và S 2a đều dẫn khi đó
đầu ra pha A của bộ nghịch lưu được nối với điểm trung tinh ảo thông qua một
trong hai diode chốt.

Hình 1.5. Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 3-level mức.
b. Trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa

 Trạng thái của các khóa chuyển mạch.
Trong cấu trúc bộ nghịch lưu 3 mức các khóa sẽ được điều khiển sao cho chỉ có
hai trong bốn khóa mở trong cùng một thời điểm và mỗi “nút” của các pha a, b, c có
thể được nối với các điểm M0, M1, M2. Trạng thái chuyển mạch của các van trong

-6-


bộ nghịch lưu diode kep 3 mức được cho theo bảng 1.1. Trạng thái P (Positive)
tương ứng với hai khóa S1x và S2x đều mở lúc đó điện áp pha có giá trị bằng Udc/2.
_

_

Ngược lại trạng thái N (Negative) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S 1x và S 2x
mở và điện áp pha có giá trị bằng -Udc/2. Trạng thái 0 tương ứng với các khóa S1x
_

hoặc S 2x mở khi đó đầu ra của điện áp pha có giá trị bằng “0” do được nối với điểm
trung tính M1 qua hai diode chốt. Tùy thuộc vào chiều dòng điện mà một trong hai
diode sẽ dẫn dòng. Ví dụ nếu dòng tải dương i ph x  0 làm diode D2x dẫn.
Bảng 1.1. Trạng thái các khóa ở một pha của bộ nghịch lưu 3L-NPC VSC.
Trạng thái

S1x

S2 x

_

_

S 1x

S 2x

Positive “+” ( U xM 1  U dc / 2 )

1

1

0

0

Zero “0” ( U xM 1  0 )

1

0

0

1

Negative “-” ( U xM 1  U dc / 2 )

0

0

1

1

_

_

Các van bán dẫn S1x , S 1x và S2 x , S 2x hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa
là khi một khóa dẫn thì khóa còn lại sẽ không dẫn.
 Quá trình chuyển mạch của các khóa.
Để nghiên cứu quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3LNPC ta giả thiết rằng sự chuyển đổi giữa các trạng thái “0”, “P” và “N” khi các
khóa thay đổi trạng thái ta sẽ bỏ qua thời gian chết “dead time” (thơi gian tính từ lúc
có tín hiệu điều khiển ON hoặc OFF khóa đến khi khóa ON hoặc OFF hoàn toàn).
Dòng điện các pha không đổi chiều trong qua trình chuyển mạch do tải có tính cảm,
giá trị các tụ điện C1 và C2 đủ lớn để điện áp đặt lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng
Udc/2 và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng.

-7-


Trường hợp 1: Dòng điện tải iph x >0.

-

Hình 1.6. Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a) P  0 và (b) O  N .
Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái P tương ứng với các van T2x và T1x dẫn dòng
_

_

các khóa S 1x , S 2x đang khóa. Diode chốt D2x phân cực ngược nên không cho dòng
_

_

điện đi qua. Điện áp rơi trên hai van S1x, S2x : U S 2 x  U S 1x  0 và trên hai van S 1x , S 2x
:U

_

S 2x

 U _  U dc / 2 . Quá trình chuyển mạch từ P  0 (Hình 1.6a) được bắt đầu
S 1x

bằng việc khóa T2x khi đó điện áp trên diode D2x sẽ phân cực thuận và dòng tải sẽ
chuyển từ dẫn qua T2x sang dẫn qua D2x. Sau thời gian T2x khóa hoàn toàn thì cho
_

mở T 2x tức là trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi U S 1x  0 . Tổn hao trong qua
trình chuyển trạng thái trên chỉ xẩy ra chủ yếu trên van T2x trong quá trình khóa.
_

Mặc dù T 2x mở nhưng nó không có dòng đi qua nên tổn hao trong qua trình này là
không đang kể. Quá trình chuyển mạch 0  N (Hình 1.6b) bắt đầu bằng việc khóa
_

_

_

T1x trong lúc đó T 2x đang mở, dẫn đến các diode DT 2 x , DT 1x phân cực thuận nên
_

_

dòng tải sẽ chuyển từ D2x, T1x sang dẫn qua DT 2 x , DT 1x . Và khi T1x khóa hoàn toàn
_

thì mở T 1x . Tổn hao trong quá trình chuyển trạng thái xẩy ra chủ yếu khi T1x khóa.

-8-


Trường hợp 2: Dòng điện tải iph x <0.

-

Hình 1.6. Quá trình chuyển mach từ trạng thái (c) P  0 và (d) O  N .
_

_

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái N tương ứng với các van T 2x và T 1x đang mở,
các khóa S1x , S2 x đang khóa. Diode chốt D1x phân cực ngược nên không cho dòng
điện đi qua. Điện áp rơi trên hai van S1x , S2 x :
_

_

và trên hai van

. Quá trình chuyển mạch từ N  0 (Hình 1.6d) được bắt

S 1x , S 2x :
_

đầu bằng việc khóa T 1x khi đó điện áp trên diode D1x sẽ phân cực thuận và dòng tải
_

_

sẽ chuyển từ dẫn qua T 1x sang dẫn qua D1x. Sau thời gian T 1x khóa hoàn toàn thì
cho mở T1x tức là ở trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi

. Tổn hao
_

trong qua trình chuyển trạng thái trên chỉ sẩy ra chủ yếu trên van T 1x trong quá trình
khóa. Mặc dù T1x mở nhưng nó không có dòng đi qua nên tổn hao trong qua trình
này là không đáng kể. Quá trình chuyển mạch 0  P (Hình 1.6c) bắt đầu bằng việc
_

khóa T 2x trong lúc đó T1x đang mở, dẫn đến các diode DT 2 x , DT 1x phân cực thuận nên
_

_

dòng tải sẽ chuyển từ D1x , T 2 x sang dẫn qua DT 2 x , DT 1x . Và khi T 2x khóa hoàn toàn thì
_

mở T 1x . Tổn hao trong quá trình chuyển trạng thái sẩy ra chủ yếu khi T1x khóa.

-9-


Hình 1.7. Điện áp điều khiển pha a, điên áp pha và điện áp dây của
bộ nghịch lưu 3L-NPC.
c. Nhân xét
Cấu hình của bộ nghịch lưu NPC đòi hỏi phải có các diode kẹp, số lượng diode
kẹp tỉ lệ với bình phương số mức. Bộ nghịch lưu n mức cần dùng (n-1)*(n-2) diode.
Sự phân bố không đồng đều trên các linh kiện. Trong cấu hình NPC điện áp trên các
khóa bán dẫn được giảm đi n lần nhờ các tụ và diode kẹp, nhờ đó có thể sử dụng các
khóa bán dẫn có giá trị định mức thấp. Tuy nhiên các diode lại có những mức điện
áp ngược khác nhau, điều này đòi hỏi phải sử dụng những diode có giá trị định mức
khác nhau, hoặc ghép nối tiếp nhiều diode có cùng giá trị định mức lại với nhau
điều này làm tăng giá thành đồng thời giảm độ tin cậy của bộ nghịch lưu.
Thêm vào đó, các khóa bán dẫn trong cấu hình NPC cũng có tần số đóng cắt
khác nhau, đặc biệt khi chỉ số điều chế thấp, các khóa bán dẫn ở ngoài hầu như
không đổi trạng thái. Điều này sẽ được trình bày rõ trong quá trình mô phỏng. Thêm

- 10 -


vào đó sự mất cân bằng điện áp trên tụ phát sinh trong quá trình nạp xả tụ khi có
dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi các điểm trung tính ảo (điểm giữa của chuỗi các tụ
mắc nối tiếp). Tức là khi pha được kẹp ở mức điện áp 0V. Sự mất cân bằng này làm

méo dạng điện áp đầu ra, đồng thời làm điện áp phân bố trên các van bán dẫn không
còn đồng đều, có thể dẫn đến hiện tượng quá điện áp trên khóa bán dẫn. Hiện tượng
này được giải thích thông qua một số tổ hợp đóng cắt của các khóa.
 Ưu điểm:
 Mỗi khóa chuyển mạch trong biến tần NPC chịu điện áp ngược thấp (một
nửa điện áp) và số van tổn thất trong quá trình đóng cắt nhỏ.
 TDH và dv/dt giảm, các dạng sóng của điện áp dây gồm 5 cấp điện áp dẫn tới
giảm TDH và dv/dt so với biến tần 2 mức hoạt động ở cùng mức điện áp và
tần số.
 Đạt hiệu suất cao ở tần số đóng cắt cơ bản.
 Tất cả các pha đều dùng chung một nguồn DC do đó giảm thiểu số tụ mắc ở
nguồn.
 Nhược điểm
 Thêm diode kẹp.
 Điều chế PWM phức tạp.
 Có thể có độ lệch của điểm tâm nguồn.
1.2.2. Bộ nghịch lưu dạng tụ bay FLC - VSC (Flying capacitor Voltage Source
connverter)
a. Cấu trúc bộ nghịch lưu FLC VSC.
Cấu trúc của bộ nghịch lưu FLC tương tự như bộ nghich lưu NPC chỉ khác
không có diode kẹp mà thay vào đó bằng các tụ điện. Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ
nghịch lưu dạng 3L-FLC (Flying capacitor 3 level inverter), gồm có 12 khóa
chuyển mạch, và có các diode mắc song song ngược, 3 “tụ bay” (Flying capacitor).
Trong quá trình hoạt động của mạch, điện áp của “tụ bay” được nạp bằng ½ điện áp
nguồn một chiều. Điện áp này có thể được cộng hoặc trừ khi tụ điện được nối nối
tiếp vào mỗi pha khi các khóa dẫn.
- 11 -


Hình 1.8. Bộ nghịch lưu dạng 3L-FLC SVC.

b. Trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ 3L-FLC.
 Trạng thái của các khóa chuyển mạch.
Để tạo ra ba mức điện áp cho bộ nghịch lưu, các khóa chuyển mạch được điều
khiển sao cho tại mọi thời điểm chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được mở.
Trạng thái của các khóa chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L-FLC được cho dưới
bảng 1.2. Nó chỉ khác so với bộ nghịch lưu 3L-NPC là có hai trạng thái 0 tương ứng
với S1x mở, S2 x khóa và S1x khóa, S2 x mở. Tùy theo chiều dòng điện của mỗi pha qua
tụ iC 1, x mà quyết định quá trình nạp hay xả của “tụ bay”. Vì vậy điện áp trên tụ có
thể được điều chỉnh giá trị phù hợp với yêu cầu trong quá trình hoạt động của các
khóa ở mỗi pha. Trong cả hai trạng đó điện áp đầu ra đều có giá trị như nhau nhưng
khác nhau về chiều của dòng điện tải qua “tụ bay” và tụ điện có thể tự cân bằng bất
chấp dòng điện tải.
Bảng 1.2. Trạng thái chuyển mạch của các khóa trên một pha của bộ 3L-FLC.
Trạng thái

S1x

S2x

P “+”

1
1
0
0

1
0
1
0

0 “0”
N “-“

0
0
1
1
- 12 -

0
1
0
1

UxM

ic1,x

Udc/2
0
0
-Udc/2

0
-iph
iph
0

 Quá trình chuyển mạch của các khóa.
Để nghiên cứu quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3L-FLC
ta giả thiết rằng sự chuyển đổi giữa các trạng thái “0”, “P” và “N” khi các khóa thay
đổi trạng thái ta sẽ bỏ qua thời gian chết “dead time” (thời gian tính từ lúc có tín
hiệu điều khiển ON hoặc OFF đến khi khóa ON hoặc OFF hoàn toàn). Dòng điện
các pha không đổi chiều trong quá trình chuyển mạch do tải có tính cảm, giá trị các
tụ điện Cd1 và Cd2 đủ lớn để điện áp đặt lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng Udc/2 và các
khóa chuyển mạch coi như lý tưởng.
Trường hợp 1: Dòng tải iph x>0

-

Hình 1.9. Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a,b) P  0 và (c,d) O  N .
Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái P tương ứng với các van T2x và T1x dẫn dòng
_

_

các khóa S 1x , S 2x đang ngắt. Điện áp rơi trên hai van S1x , S2x :
_

_

và

. Quá trình chuyển mạch từ P  0

trên hai van S 1x , S 2x :

(Hình 1.8a) được bắt đầu bằng việc khóa T1x khi đó tụ điện C1x sẽ được nạp điện tức

là điện áp trên tụ điện có giá trị bằng: -Udc/2. Sau thời gian T1x khóa hoàn toàn thì
_

cho T 1x thông trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi

và khi đó dòng tải sẽ

_

chuyển từ dẫn qua T1x sang dẫn qua C1x , DT 1x . Tổn hao trong quá trình chuyển

- 13 -


_

trạng thái trên chỉ sẩy ra chủ yếu trên van T1x trong quá trình khóa. Mặc dù T 2x mở
nhưng nó không có dòng đi qua nên tổn hao trong quá trình này là không đang kể .
Quá trình chuyển mạch từ P  0 có thể sẩy ra theo (Hình 1.8 b) và được bắt đầu
bằng việc khóa T2x khi đó tụ điện C1x sẽ được phóng điện tức là điện áp trên tụ điện
_

có giá trị bằng: Udc/2. Sau thời gian T2x khóa hoàn toàn thì cho T 2x thông, trạng thái
“0” tương ứng với điện áp rơi

và khi đó dòng tải sẽ chuyển từ dẫn qua T2x

_

sang dẫn qua C1x , DT 2 x . Quá trình chuyển mạch 0  N (Hình 1.8c) bắt đầu bằng

_

_

việc khóa T2x trong lúc đó DT 1x đang dẫn, do vậy diode DT 2 x phân cực thuận nên
_

_

dòng tải sẽ chuyển từ C1x, T2x sang dẫn qua DT 2 x , DT 1x . Và khi T2x khóa hoàn toàn
_

thì mở T 2x . Tổn hao trong quá trình chuyển trạng thái sẩy ra chủ yếu khi T2x khóa.
-

Trường hợp 2: Dòng điện tải iph x <0.
_

_

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái N tương ứng với các van T 2x và T 1x đang mở
các khóa S1x , S2 x đang ngắt. Điện áp rơi trên hai van S1x , S2 x :
_

_

. Quá trình chuyển mạch từ N  0 (Hình

và trên hai van S 1x , S 2x :
_

1.8d) được bắt đầu bằng việc khóa T 1x khi đó khi đó tụ điện C1x sẽ được phóng
_

điện tức là điện áp trên tụ điện có giá trị bằng: Udc/2. Sau thời gian T 1x khóa hoàn
toàn thì cho T1x mở tức là ở trạng thái “0” tương ứng với điện áp rơi U S1x  0 và
_

dòng tải sẽ chuyển từ dẫn qua T 1x sang dẫn qua C1x , DT 1x . Tổn hao trong quá trình
_

chuyển trạng thái trên chỉ sẩy ra chủ yếu trên van T 1x trong quá trình khóa. Mặc dù
T1x mở nhưng nó không có dòng đi qua nên tổn hao trong quá trình này là không

đáng kể.

- 14 -


Hình 1.10. Quá trình chuyển mach từ trạng thái (a,b) P  0 và (c,d) O  N [6]
_

Quá trình chuyển mạch 0  P (Hình 1.9c) bắt đầu bằng việc khóa T 2x trong lúc đó
_

DT 1x đang dẫn, do vậy diode DT 2 x phân cực thuận nên dòng tải sẽ chuyển từ C1x , T 2 x
_

sang dẫn qua DT 2 x , DT 1x . Và khi T 2x khóa hoàn toàn thì mở T2 x . Tổn hao trong quá
_

trình chuyển trạng thái sẩy ra chủ yếu khi T 2x khóa.
Bảng 1.3. Quá trình dẫn dòng của các khóa ở mỗi pha của bộ 3L-FLC.
Trạng thái
“+”
“0”

T1x

DT1x

T2x

DT2x

Dòng điện iph x>0
x
x

x

x

x

“–”
“+”
“0”

x

x

x
x

Dòng điện iph x<0
x
x
x

x

“–”

x
- 15 -

x
x