ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BA PHA

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................................9
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................10
Chương 2........................................................................................................................ 15
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN........................15
Hình 2.1 Dây chuyền cắt bao bì - túi nylon....................................................................18
Hình 2.2 Hệ thống thổi - cuộn túi nylon.........................................................................19
Hình 2.3 Cầu trục (cơ cấu nâng hạ)................................................................................19
2.5Sơ đồ cấu trúc tổng quát của biến tần........................................................................20
Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát hoạt động của biến tần...........................................................20
Hình 2.5 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần...............................................................20
Hình 2.6 Bộ chỉnh lưu biến tần.......................................................................................21
Hình 2.7 Tuyến dẫn một chiều........................................................................................22
Hình 2.8 IGBT...............................................................................................................23
Hình 2.9 Bộ điện kháng xoay chiều................................................................................24
Hình 2.10 Bộ điện kháng một chiều...............................................................................25
Hình 2.11 Điện trở hãm..................................................................................................26
Chương 3........................................................................................................................ 27
NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN.........................................................................................27
3.1Các khái niệm cơ bản................................................................................................27
Hình 3.1 Các loại bộ biến đổi cơ bản.............................................................................27
3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp [2]..............................................................................29
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nửa cầu một pha (half bridge).............................29

1


Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu hình tia và sơ đồ nghịch lưu cầu một pha............30
Hình 3.4 Nghịch lưu một pha dùng máy biến áp có điểm giữa.......................................31
Hình 3.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện ở nghịch lưu.................................................33

Hình 3.6 Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha.........................................................................34
Hình 3.7 Dạng sóng điện áp, dòng điện nghịch lưu cầu một pha [3]..............................35
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu cầu ba pha...........................................................36
Hình 3.9 Nguyên lý điều khiển cơ bản cho nghịch lưu cầu ba pha.................................37
Hình 3.10 Các tổ hợp trạng thái phụ tải ở các trạng thái dẫn của van (với λ = 1800).....39
Hình 3.11 Dạng sóng điện áp điều chế (với λ = 1800)...................................................39
3.3 Nguyên lý điều chế nghịch lưu nguồn áp.................................................................40
Hình 3.13 Dạng sóng điều chế SPWM...........................................................................42
Hình 3.14 Điều chế PWM dựa theo sóng mang nghịch lưu ba pha................................44
Hình 3.15 Biểu diễn vector không gian..........................................................................46
Chương 4........................................................................................................................ 47
THIẾT KẾ CẢI TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BIẾN TẦN........................................47
4.1 Cấu trúc hệ thống.....................................................................................................47
Hình 4.1 Sơ đồ khối nguyên lý của thiết bị biến tần [3].................................................48
Hình 4.2 Cấu trúc tổng quát thiết bị biến tần..................................................................49
Hình 4.3 Cấu trúc đề xuất hệ biến tần phục vụ thí nghiệm.............................................50
4.2Thiết kế hệ thống.......................................................................................................51
Hình 4.5. Sơ đồ lắp điện.................................................................................................51
Bảng 4.1 Giải thích kí hiệu.............................................................................................51
Kí hiệu............................................................................................................................ 51
Ý nghĩa........................................................................................................................... 51
S1................................................................................................................................... 51

1


Khóa nguồn.................................................................................................................... 51
S2................................................................................................................................... 51
Công tắc.........................................................................................................................51
K1................................................................................................................................... 51

Tiếp điểm thường đóng..................................................................................................51
K2................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường mở.....................................................................................................51
4.2.2Thiết kế sơ đồ lắp đặt.............................................................................................52
Hình 4.6 Thiết kế sơ đồ lắp đặt.......................................................................................52
Hình 4.7 Mặt panel thí nghiệm.......................................................................................53
Hình 4.8 Sản phẩm thực tế.............................................................................................54
Hình 4.9 Sản phẩm thực mặt panel.................................................................................55
Hình 4.10 Mô hình hoàn thiện........................................................................................56
Chương 5........................................................................................................................ 57
NGHIÊN CỨU CHẠY THỬ..........................................................................................57
5.1 Hệ thống các module thử nghiệm.............................................................................57
Hình 5.1 Sản phẩm hoàn thiện........................................................................................58
Hình 5.2 Hệ thống các module thử nghiệm mô hình biến tần.........................................59
5.2Xây dựng chương trình thử nghiệm...........................................................................60
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng nguyên lý nghịch lưu trên Proteus........................................61
Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính..............................................................62
Hình 5.5 Thuật toán chương trình ngắt điều chế SPWM................................................63
Hình 5.6 Thuật toán chương trình ngắt điều chế vector PWM.......................................64
5.3Kết quả thử nghiệm...................................................................................................66
Hình 5.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (20σ/div)...............................66

1


Hình 5.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (500σ/div).............................66
Hình 5.9 Dạng sóng điện áp đầu ra một pha trên tải (5ms/div)......................................67
Hình 5.10 Dạng sóng điện áp đầu ra ba pha trên tải (5ms/div).......................................68
Hình 5.11 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (50µs/div)......................68
Hình 5.12 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (2,5ms/div)....................68

PHỤ LỤC 1: Chương trình điều khiển...........................................................................72

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Dây chuyền cắt bao bì - túi nylon........................................................................18
Hình 2.2 Hệ thống thổi - cuộn túi nylon.............................................................................19
Hình 2.3 Cầu trục (cơ cấu nâng hạ)....................................................................................19
Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát hoạt động của biến tần...............................................................20
Hình 2.5 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần...................................................................20
Hình 2.6 Bộ chỉnh lưu biến tần...........................................................................................21
Hình 2.7 Tuyến dẫn một chiều............................................................................................22
Hình 2.8 IGBT.................................................................................................................... 23
Hình 2.9 Bộ điện kháng xoay chiều....................................................................................24
Hình 2.10 Bộ điện kháng một chiều...................................................................................25
Hình 2.11 Điện trở hãm......................................................................................................26
Hình 3.1 Các loại bộ biến đổi cơ bản.................................................................................27
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nửa cầu một pha (half bridge).................................29
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu hình tia và sơ đồ nghịch lưu cầu một pha................30
Hình 3.4 Nghịch lưu một pha dùng máy biến áp có điểm giữa...........................................31
Hình 3.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện ở nghịch lưu.....................................................33
Hình 3.6 Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha.............................................................................34
Hình 3.7 Dạng sóng điện áp, dòng điện nghịch lưu cầu một pha [3]..................................35
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu cầu ba pha...............................................................36
Hình 3.9 Nguyên lý điều khiển cơ bản cho nghịch lưu cầu ba pha.....................................37
Hình 3.10 Các tổ hợp trạng thái phụ tải ở các trạng thái dẫn của van (với λ = 1800).........39
Hình 3.11 Dạng sóng điện áp điều chế (với λ = 1800).......................................................39
Hình 3.13 Dạng sóng điều chế SPWM...............................................................................42
Hình 3.14 Điều chế PWM dựa theo sóng mang nghịch lưu ba pha....................................44

Hình 3.15 Biểu diễn vector không gian..............................................................................46
Hình 4.1 Sơ đồ khối nguyên lý của thiết bị biến tần [3].....................................................48
Hình 4.2 Cấu trúc tổng quát thiết bị biến tần......................................................................49
Hình 4.3 Cấu trúc đề xuất hệ biến tần phục vụ thí nghiệm.................................................50
Hình 4.5. Sơ đồ lắp điện.....................................................................................................51
Bảng 4.1 Giải thích kí hiệu.................................................................................................51
Kí hiệu................................................................................................................................ 51
Ý nghĩa............................................................................................................................... 51
S1....................................................................................................................................... 51
Khóa nguồn........................................................................................................................ 51
S2....................................................................................................................................... 51
Công tắc.............................................................................................................................51
K1....................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường đóng......................................................................................................51
K2....................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường mở.........................................................................................................51
4.2.2Thiết kế sơ đồ lắp đặt.................................................................................................52
Hình 4.6 Thiết kế sơ đồ lắp đặt...........................................................................................52
Hình 4.7 Mặt panel thí nghiệm...........................................................................................53
Hình 4.8 Sản phẩm thực tế.................................................................................................54
Hình 4.9 Sản phẩm thực mặt panel.....................................................................................55
Hình 4.10 Mô hình hoàn thiện............................................................................................56
Hình 5.1 Sản phẩm hoàn thiện............................................................................................58
Hình 5.2 Hệ thống các module thử nghiệm mô hình biến tần.............................................59
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng nguyên lý nghịch lưu trên Proteus............................................61


Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính..................................................................62

Hình 5.5 Thuật toán chương trình ngắt điều chế SPWM....................................................63
Hình 5.6 Thuật toán chương trình ngắt điều chế vector PWM...........................................64
Hình 5.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (20σ/div)...................................66
Hình 5.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (500σ/div).................................66
Hình 5.9 Dạng sóng điện áp đầu ra một pha trên tải (5ms/div)..........................................67
Hình 5.10 Dạng sóng điện áp đầu ra ba pha trên tải (5ms/div)...........................................68
Hình 5.11 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (50µs/div)..........................68
Hình 5.12 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (2,5ms/div)........................68


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1....................................................................................................................... 35
Bảng 3.2....................................................................................................................... 38
Bảng 3.3....................................................................................................................... 40
Bảng 4.1....................................................................................................................... 47


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NLĐL Nghịch lưu độc lập
NLNA Nghịch lưu nguồn áp
NLND Nghịch lưu nguồn dòng
PWM Pulse with modulation
SPWM Sinusoidal PWM
ASDs Adjustable speed drives
UPS

Uninterrupttible power supplies

FACTS Flexible AC transmission systems

LỜI MỞ ĐẦU
 Tính cấp thiết của đề tài:
Việt Nam ta ngày phát triển và giàu mạnh. Một trong những thay đổi đáng kể là Việt Nam đã
gia nhập “WTO”, một bước ngoặc quan trọng để đất nước thay đổi bộ mặt nghèo nàn của
mình, để chúng ta con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiểu thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc
biệt là về các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện Tử nói riêng.
Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động cơ truyền
động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời và phát triển của hệ truyền
động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần số
nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực
tế sản xuất yêu cầu.
Cùng với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất, thiết bị biến tần được phát minh và
ứng dụng từ những năm 1970 để điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện xoay chiều. Ngày nay
kết hợp với sự tiến bộ về khả năng tính toán điều khiển của các hệ vi xử lý, thiết bị biến tần
đã có những tiến bộ vượt bậc về khả năng điều khiển cho động cơ điện xoay chiều. Với các
thuật toán điều khiển mới dựa trên nền tảng về khả năng xử lý của các hệ vi xử lý, hệ thống
điều chỉnh truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều đã và đang dần thay thế cho các
hệ thống điều chỉnh dùng động cơ điện một chiều trước đây. Do đó các hệ thống điều chỉnh
biến tần – động cơ hiện nay được sử dụng ở trong hầu hết các nhà máy công nghiệp, các hệ
thống điều khiển tự động, trong các thiết bị dân dụng…nơi có đòi hỏi điều chỉnh tốc độ,
mômen động cơ. Với vai trò quan trọng như vậy, nên thiết bị nghịch lưu, biến tần là phần
không thể thiếu trong các bài giảng về điện tử công suất hiện nay. Kiến thức về thiết bị này
giúp cho các sinh viên sau khi tốt nghiệp có khả năng tiếp cận và làm chủ ngay với các thiết
bị thực tế trong công nghiệp. Hệ thống các bài thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc
liên hệ giữa lý thuyết với thực hành nhằm giúp cho các sinh viên cũng cố vững chắc kiến
thức về thiết bị và tự tin hơn khi làm việc với các hệ thống biến tần sau này.
Trước những vấn đề nêu trên, chúng em đã chọn đề tài: ” Thiết kế cải tạo bộ thí nghiệm
điều khiển nghịch lưu ba pha”.

 Cấu trúc đề tài:
Bao gồm 4 chương:
• Chương 1: Giới thiệu về bộ môn tự đông hóa
• Chương 2: Tổng quan về biến tần điều khiển truyền động điện
• Chương 3: Nghịch lưu biến tần
• Chương 4 Thiết kế hệ thống các module thí nghiệm biến tần
• Chương 5: Lắp ráp thử nghiệm
 Lời cảm ơn:
Đề tài đã được hoàn thành, em xin chân thành cảm ơn thầy: TS. Khổng Cao Phong- Thầy
giáo hướng dẫn trực tiếp, người đã đưa ra hướng nghiên cứu, tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo
điều kiên thuận lợi để em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học
Mỏ- Địa chất đã giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Duy Thanh

Chương 1


GIỚI THIỆU VỀ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
1.1 Tên đơn vị: Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Mỏ và Dầu khí
1.1.1 Địa chỉ:
•

Phòng 504, tòa nhà 12 tầng, Đại học Mỏ- Địa chất- Phường Đức Thắng - Quận

Bắc Từ Liêm - Hà nội.
•

Điện thoại: 043 7550643

1.1.2 Chức năng nhiệm vụ: Đào tạo kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự
động hóa
1.1.3 Lịch sử xây dựng và phát triển:
Bộ môn Tự động hoá Xí nghiệp Mỏ và Dầu khí được thành lập theo quyết định số số
89/MĐC/TCCB ngày 28 tháng 03 năm 2002 của Hiệu trưởng trường Đại học Mỏ - Địa chất
trên cơ sở lànhóm “Tự động hoá và Truyền động điện” thuộc Bộ môn Điện khí hóa (Bộ môn
Cơ – Điện cũ).
Bộ môn được thành lập với chức năng nhiệm vụ là trực tiếp thực hiện nhiệm vụ đào tạo
các hệ và các bậc trong trường, thực hiện công tác nghiên cứu khoa học, triển khai công
nghệ, bồi dưỡng giảng viên, nhân viên phục vụ đào tạo và quản lý trực tiếp sinh viên.
Từ những ngày đầu thành lập Bộ môn chỉ có 8 cán bộ, giảng viên cho tới nay Bộ môn đã
phát triển và có tổng số 17 cán bộ, giảng viên. Trong đó có 01 PGS.TS, 05 TS, 11 ThS (trong
đó có 03 nghiên cứu sinh nước ngoài).
Sau gần 15 năm phát triển, các cán bộ của Bộ môn cùng với các Bộ môn trong Khoa đã
đào tạo hàng nghìn kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Cơ điện mỏ, Điện khí hoá và Tự động
hoá. Từ năm 2002 đến nay Bộ môn đã quản lý và đào tạo được gần 2000 kĩ sư Kỹ thuật điều
khiển và tự động hóa, góp phần đào tạo thành công khoảng 150 thạc sĩ và 10 tiến sĩ. Số sinh


viên chính quy có 150 SV/năm ở cả hai miền Nam - Bắc; khoảng 50 sinh viên Cao đẳng và
Liên thông cao đẳng - đại học; và 1 đến 2 Nghiên cứu sinh.
Bên cạnh công tác đào tạo, Bộ môn còn tham gia tích cực vào các hoạt động nghiên cứu
khoa học. Các cán bộ của Bộ môn đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu cơ sở và đề tài thực
tế sản xuất. Bộ môn đã trực tiếp lãnh đạo chỉ đạo các cán bộ hướng dẫn sinh viên tham gia
các cuộc thi Robocon, Robot Rosnef.
Với những hoạt động kể trên, Bộ môn đã nhiều lần đạt danh hiệu “Tập thể Lao động
Xuất sắc”, “Tập thể Lao động giỏi”. Nhiều cá nhân của Bộ môn đã được nhận Bằng khen của

Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo.
1.1.4 Cơ cấu tổ chức: Tổng số cán bộ hiện tại của Bộ môn có 17 người và 3 cán bộ thỉnh
giảng trong đó:
•

03 Lãnh đạo Bộ môn
o

TS Nguyễn Chí Tình

o

PGS. TS Nguyễn Đức Khoát

o

TS Khổng Cao Phong

•

12 Cán bộ giảng dạy (03 NCS nước ngoài);

•

02 Cán bộ phục vụ giảng dạy;

•

03 Cán bộ thỉnh giảng
o

PGS. TS Đào Văn Tân

o

PGS. TS Thái Duy Thức

o

ThS Nguyễn Chí Dũng

1.1.5 Cơ sở vật chất: Bên cạnh văn phòng làm việc, Bộ môn Tự động hóa hiện đang
quản lý 02 Phòng thí nghiệm phục vụ công tác đào tạo Chuyên ngành Tự động hóa với:
•

Hệ thống các thiết bị PLC;


•

Hệ thống các thiết bị biến tần;

•

Hệ thống các Kit Vi điều khiển, DSP;

•

Bàn thí nghiệm đo lường;

•

Bộ thí nghiệm điều khiển quá trình;

•

Hệ thống các thiết bị cân công nghiệp.

1.1.6 Định hướng nghiên cứu: Hiện tại Bộ môn được định hướng phát triển theo 02
nhóm nghiên cứu chính:
•

Nhóm nghiên cứu phát triển các hệ thống Truyền động điện và Điện tử công

suất cho Công nghiệp khai thác mỏ.
•

Nhóm nghiên cứu các hệ thống Tự động hóa quá trình cho Công nghiệp khai

thác Mỏ.
•

Nghiên cứ phát triển bộ “Thí nghiệm điều khiển nghịch lưu”. Đề tài nghiên cứ

khoa học của bộ môn Tự động hóa (TS. Khổng Cao Phong. Th.S Đào Hiếu. Th.S
Nguyễn Thanh Lịch)

Mô hình hệ thống thí nghiệm biến tần

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.1 Khái niệm chung.
2.1.1 Định nghĩa:
- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện xoay
chiều có tần số khác có thể thay đổi được. Đối với các biến tần dùng trong việc điều
chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó còn có thể thay đổi
điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần.
2.1.2 Phân loại biến tần:

Biến tần thường được chia làm hai loại:
-

Biến tần trực tiếp

-

Biến tần gián tiếp

2.1.3 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 (f 1 <
flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
2.1.4 Biến tần gián tiếp.
Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến
tần gián tiếp.
2.2 Chức năng, nhiệm vụ của biến tần:
Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phép người sử dụng điều
chỉnh tốc độ cơ theo nhu cầu và mục đích sử dụng
Chúc điều khiển tốc độ động cơ lên tối 16 cấp với khả năng kiểm soát thời gia tốc/ giảm

tốc ,nhiều mức công suất phù năng hợp với nhiều loại động cơ .Có chức năng bảo vệ quá
tải ,quá áp, thấp áp, quá dòng,thấp dòng ,quá nhiệt động cơ,nối đất….nó giúp nhười vận hành
yên tâm không phải lo lắng về vấ đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành
Biến tần giúp các dây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng ,đồng bộ các thiết


bị(động cơ) hoạt động trơ tru, thân thiện với người sử dụng và giảm thiểu chi phí bảo chìbảo dưỡng
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 hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các
đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai
phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
•

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ

trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
•

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của

cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống
điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo
phương pháp này. 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:
-

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.

2.3 Ứng dụng của biến tần
2.3.1 Tiết kiệm điện:
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán
dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ

bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống.
Qua tính toán với các dữ liệu thực tế, với các chi phí thực tế thì với một động cơ sơ cấp
khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho một bộ biến tần là khoảng từ 3 tháng đến 6
tháng. Hiện nay ở Việt nam đã có một số xí nghiệp sử dụng máy biến tần này và đã có kết
quả rõ rệt.
Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển hệ
thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động
cho bơm và quạt.
Nhờ tính năng kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển hiện đại nhất (điều khiển tối ưu về
năng lượng) các bộ biến tần đang và sẽ làm hài lòng nhiều nhà đầu tư trong nước, trong khu
vực và trên thế giới.
2.3.2 Ứng dụng trong công nghiệp:
Biến tần AC với công suất điều khiển lớn được sử dụng hiệu quả trong các trường hợp sau:
• Điều khiển động cơ không đồng bộ từ 15 đến trên 600 Kw với tốc độ khác nhau;


• Điều chỉnh lưu lượng của bơm, lưu lượng không khí ở quạt li tâm năng suất máy, năng
suất băng tải…
• ổn định lưu lượng, áp suất ở mức cố định trên hệ thống bơm nước, quạt gió, máy nén
khí…cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi;
• điều khiển quá trình khởi động và dừng chính xác động cơ trên hệ thống băng tải…
• Biến tần AC có công suất nhỏ có thể sử dụng để điều khiển những máy công tác như
cưa gỗ, khuấy trộn, xào chè, nâng hạ…
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
2.4 Một số ví dụ thực tiễn: Ứng dụng chính của biến tần
Giảm bớt các chi phí sản xuất, giá thành bảo dưỡng và đồng thời nâng cao tuổi thọ cho các
thiết bị đó là đòi hỏi tất yếu của hầu hết các dây truyền sản xuất. Biến tần là một giải pháp
hàng đầu cho việc tối ưu hoá điều khiển động cơ. Biến tần rất đa dạng về chủng loại, tuỳ theo
từng nhu cầu cụ thể mà người sử dụng có thể chọn loại thích hợp nhất cho dây chuyền và
động cơ của mình.

Biến tần đa dạng về chủng loại như: Yaskawa, LS, Delta, Fuji, Mitsubishi, Siemens...
Đồng tốc 2 động cơ cuộn - nhả, ổn định sức căng giữa 2 đầu
Hỗ trợ điều khiển
vector

dòng

điện

vòng hở / vòng kín
(dùng

Encoder),

điều khiển V/f vòng
hở / vòng kín (dùng
Encoder) giúp nâng
Hình 2.1 Dây chuyền cắt bao bì - túi nylon

cao độ chính xác cho
các dây chuyền cần
sự phối hợp đồng bộ


Điều khiển động cơ
đùn nhựa và động cơ
cuộn, ổn định sức
căng...

Hình 2.2 Hệ thống thổi - cuộn túi nylon

Đồng tốc 2 động cơ
xe lớn. Điều khiển
vector

dòng

điện

(dùng Encoder) đạt
được các đặc tính
truyền động mạnh
cho cơ cấu nâng hạ
cần mômen quay ở
tốc độ thấp...
Hình 2.3 Cầu trục (cơ cấu nâng hạ).
Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phép người sử dụng điều
chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Chức năng điều khiển tốc độ động
cơ lên tới 16 cấp với khả năng kiểm soát thời gian gia tốc / giảm tốc, nhiều mức công suất
phù hợp với nhiều loại động cơ. Có chức năng bảo vệ: Quá tải, quá áp, thấp áp, quá dòng,
thấp dòng, quá nhiệt động cơ, nối đất... nó giúp người vận hành yên tâm không phải lo lắng


về vấn đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành
Biến tần giúp các dây chuyên hoạt động tối ưu: Tiết kiệm điện năng, động bộ các thiết bị
(động cơ), hoạt động trơn tru, thân thiện với người sử dụng và giảm thiểu chi phái bảo trì bảo dưỡng…
2.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của biến tần
2.5.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát

Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát hoạt động của biến tần

Hình 2.5 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần


2.5.2

Các bộ phận cơ bản của biến tần
Thông qua quá trình hoạt động của biến tần, ta có thể rút ra cấu tạo biến tần gồm mạch

chỉnh lưu, mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển (hình
vẽ)
2.5.2.1 Bộ chỉnh lưu

Hình 2.6 Bộ chỉnh lưu biến tần
Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động
cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng
toàn phần.
Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn,
trong đó dòng điện xoay chiều một pha được chuyển đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu điốt được sử dụng trong Biến tần cũng có thể cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ
điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều.
Các đi-ốt chỉ cho phép luồng điện theo một hướng, vì vậy cầu đi-ốt hướng dòng
electron của điện năng từ Dòng Xoay chiều (AC) thành Dòng Một chiều (DC).


2.5.2.2 Tuyến dẫn Một chiều

Hình 2.7 Tuyến dẫn một chiều
Tuyến dẫn Một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp Một chiều đã chỉnh lưu. Một tụ
điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình Tuyến dẫn Một chiều sẽ
làm tăng điện dung.

Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng
cho


2.5.2.3 IGBT

Hình 2.8 IGBT
Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh. Trong biến
tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp
Tuyến dẫn Một chiều được trữ trong tụ điện.
Bằng cách sử dụng Điều biến Độ rộng Xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt
theo trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang.
Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang và đường tròn biểu
thị một phần sóng dạng sin.


Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang, độ rộng
xung có thể thay đổi.
PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin. Tín hiệu
này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
Bên dưới là một video miêu tả cách thức IGBT kiểm soát PWM
2.5.2.4 Bộ điện kháng Xoay chiều
Bộ điện kháng dòng Xoay chiều là cuộn cảm hoặc cuộn dây. Cuộn cảm lưu trữ năng
lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn dây và chống thay đổi dòng điện.

Hình 2.9 Bộ điện kháng xoay chiều
Bộ điện kháng dòng giúp giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều.
Ngoài ra, bộ điện kháng dòng Xoay chiều sẽ giảm mức đỉnh của dòng điện lưới hay nói cách
khách là giảm dòng chồng trên Tuyến dẫn Một chiều. Giảm dòng chồng trên Tuyến dẫn Một
chiều sẽ cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn.

Bộ điện kháng dòng Xoay chiều có thể hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo vệ
mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và xung gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác bằng


bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ.
Có vài nhược điểm khi sử dụng bộ điện kháng, như chi phí tăng thêm, cần nhiều
không gian pa-nen hơn và đôi khi là giảm hiệu suất.
Trong các trường hợp hiếm gặp, bộ điện kháng dòng có thể được sử dụng ở phía đầu ra của
Biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp, nhưng điều này thường không cần thiết do
hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT.
2.5.2.5 Bộ điện kháng Một chiều

Hình 2.10 Bộ điện kháng một chiều
Bộ điện kháng Một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn Một
chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn
trước khi xảy ra hỏng hóc và ngắt bộ truyền động ra.
Bộ điện kháng Một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ
biến tần 7,5 kW trở lên. Bộ điện kháng Một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn Bộ điện kháng Xoay
chiều.
Bộ điện kháng Một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng chồng không làm hỏng
tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho
bộ chỉnh lưu.