DK DC KDB THEO PP VECTO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-------------oOo-----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
CẤP BỞI BỘ BIẾN TẦN 5 BẬC
THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR

CHUYÊN NGÀNH: Thiết Bò, Mạng Và Nhà Máy
Điện
MÃ SỐ NGÀNH: 60 52 50

Họ Và Tên Học Viên:
Người Hướng Dẫn: PGS.TS. NGUYỄN VĂN
NHỜ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế vector không
gian dùng sóng mang (Carrier Based - SVPWM) để cân bằng
các điện áp trên tải đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc
trong khi nguồn áp DC không cân bằng hay dao động, thì
với giải thuật tạo sóng gián đoạn (Minimum CM DPWM) cho
dạng sóng điện áp tốt, số lần chuyển mạch ít, hiệu
quả cao trong việc triệt giảm C.M và ứng dụng để điều

khiển tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp điều khiển
dựa theo từ thông rotor gián tiếp (IRFOC).
Đối với bộ nghòch lưu áp đa bậc, giải thuật điều chế
này sẽ làm cho dạng điện áp tốt hơn do đó chất lượng
dòng điện cải thiện, giảm các gai điện áp (dv/dt) trên
các cuộn dây quấn của động cơ, điện áp C.M sinh ra từ
bộ nghòch lưu nhỏ, điện áp trên mỗi linh kiện giảm,
tăng công suất và có thể áp dụng cho bộ nghòch lưu
áp có số bậc bất kỳ là ưu điểm của giải thuật này.
Đối với điều khiển dựa theo từ thông rotor gián tiếp
(IRFOC), moment (iqs) và từ thông (ids) được điều khiển độc
lập với nhau ở cả chế độ xác lập và quá độ. Các
dòng điện 3 pha và tốc độ động cơ được hồi tiếp để
tính toán tạo ra tín hiệu điều chế cho bộ nghòch lưu thông
qua các khâu hiệu chỉnh PI. Đáp ứng tốc độ của động
cơ nhanh, giảm độ nhấp nhô moment và dòng điện.
Với phương thức điều khiển IRFOC kết hợp với giải
thuật điều chế CB – SVPWM tạo hàm điều khiển V offset
(Minimum CM DPWM), hệ thống truyền động sử dụng động
cơ KĐB cấp bởi bộä biến tần 5 bậc qua mô phỏng một
lần nữa đã chứng thực được tính ổn đònh khi thay đổi các
điều kiện làm việc của động cơ (không tải, mang tải,
tăng tốc, giảm tốc, đảo chiều,…) và cả trong trạng thái
xác lập các đại lượng này cũng ổn đònh theo vận tốc.
Kết quả này sẽ được phân tích và chứng minh qua kết
quả mô phỏng.


MỤC LỤC
Trang

GIỚI THIỆU
Chương 1: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG

12
15

ĐỒNG BỘ
1.1. Giới Thiệu:
1.2. Các Nguyên Tắc Điều Khiển Tốc Độ

15
16

Động Cơ Không Đồng Bộ:
1.2.1. Thay đổi tần số lưới f1
1.2.2. Thay đổi số đôi cực từ p
1.2.3. Thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator
1.2.4. Thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor
1.2.5. Bằng cuộn kháng bão hoà
1.2.6. Nhận xét
1.3. Điều Khiển Đònh Hướng Trường:
Chương 2 : BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC
2.1. Giới Thiệu:
2.1.1. Khái niệm
2.1.2. Phân loại
2.2. Các Cấu Trúc Cơ Bản Bộ Nghòch Lưu p

16
16
17

17
17
17
17
19
19
19
19
20

Đa Bậc:
2.2.1. Cấu trúc dạng cascade (cascade inverter)
2.2.2. Cấu trúc bộ nghòch lưu áp chứa cặp

20
21

diode kẹp (neutral point

clamped multilevel inverter-

NPC)
2.2.3. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (flying
capacitor inverter)
2.2.4. Nhận xét
2.3. Các Trạng Thái Đóng Ngắt:
2.3.1. Tổng quát
2.3.2.Trạng thái đóng ngắt bộ nghòch lưu áp 3
bậc

22
22
22
22
23

2.3.3.Trạng thái đóng ngắt bộ nghòch lưu áp 5

24

bậc
2.4. Nhận Xét:
Chương 3 : ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA

24
25


BẬC - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR
KHÔNG GIAN DÙNG SÓNG MANG (CB-SVPWM)
3.1. Khái Niệm Vector Không Gian:
3.2. Vector Không Gian Của Bộ Nghòch Lưu p

25
26

Đa Bậc Và Phương Pháp Điều Chế:
bậc

3.2.1. Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu 3

26

3.2.2. Giản đồ vector điện áp bộ nghòch lưu 5

27

bậc
3.2.3. Phương pháp điều chế
3.3. Phương Pháp Điều Chế Vector Không Gian

28
31

Dùng Sóng Mang:
3.3.1. Giới thiệu
3.3.2. Khối tạo tín hiệu tích cực (Active Signal

31
31

Generator)
3.3.2.1. Điều chế dưới mở rộng

31

(Undermodulation)
3.3.2.2. Điều chế ngoài mở rộng

32

(Overmodulation)
3.3.3. Khối tạo hàm Offset (Offset Generator)
3.3.3.1. Hàm Max, Min, Mid, Interger Selector
3.3.3.2. Khối hàm Offset cực trò (Extreme

33
33
33

Offset)

3.3.3.3. Khối khoá thời gian K 1, K2, K3 (Sw.

33

Time Duties)
3.3.3.4. Hàm Offset tối ưu (Optimum Offset)
3.3.3.5. Khối tính toán hàm Offset (Offset

34
34

Calculation)
3.4. Mô Phỏng Bộ Nghòch Lưu p Đa Bậc

35

Bằng Phương Pháp Điều Chế Vector Không
Gian Dùng Sóng Mang:

3.4.1. Chương trình giải thuật các khối dll.
3.4.2. Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 3 bậc
3.4.3. Mô phỏng bộ nghòch lưu áp 5 bậc
3.4.4. Nhận xét chung
3.5. Kết Luận:

35
40
51
63
63


Chương 4 : HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN –

64

ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỊNH HƯỚNG
TRƯỜNG
4.1. Giới Thiệu Phương Thức Điều Khiển Dựa
Theo Từ Thông:
4.1.1. Giới thiệu
4.1.2. So sánh với các phương thức điều khiển tốc

64
64
65

độ động cơ thông thường

4.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Động Cơ

66

Không Đồng Bộ Trong Hệ Toạ Độ Quay
Rotor:
4.2.1. Vector không gian và hệ quy chiếu đứng

66

yên ( - )
4.2.2. Hệ trục toạ độ quay (d-q)
4.2.3. Ưu điểm cuả việc xây dựng mô hình điều

68
70

khiển động cơ KĐB

AC 3 pha trên hệ toạ độ d-q

so với xây dựng trên hệ toạ độ α-β:
4.3. Xây Dựng Mô Hình Các Khối Chức Năng

70

Trong Hệ Điều Khiển Theo Từ Thông:
4.3.1. Nguyên lý chung
4.3.2. Sơ đồ khối hệ điều khiển theo từ thông
4.3.2.1. Khối chuyển đổi hệ trục toạ độ

4.3.2.2 Khối ước lượng từ thông rotor
4.3.2.4. Khối từ thông yêu cầu
Chương 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN

70
72
73
74
77
78

ĐỘNG CƠ KĐB CẤP BỞI BỘ BIẾN TẦN 5 BẬC
THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR
5.1. Phân Tích Mô Phỏng:
5.1.1. Khối điều khiển tốc độ yêu cầu
5.1.2. Khối hồi tiếp dòng và vận tốc
5.1.3. Khối điều khiển đònh hướng trường
5.1.4. Khối động cơ không đồng bộ
5.2. Sơ Đồ, Kết Quả Mô Phỏng Và Nhận

78
79
79
79
82
83

Xét:
5.2.1. Động cơ chạy không tải có điều tốc
5.2.2. Động cơ mang tải 50Nm có thay đổi tốc

83
85


độ
5.2.3. Động cơ chạy 300 vòng/phút mang tải

87

50Nm
5.2.4. Động cơ chạy 1000 vòng/phút mang tải

90

50Nm
5.2.5. Động cơ mang tải 50Nm ở chế độ đảo

93

chiều quay
5.2.6. Động cơ đang tải 50Nm thì mất tải
5.2.7. Động cơ đang chạy không tải ở chế độ

94
96

xác lập thì đóng tải
5.2.8. Đánh giá đáp ứng của thuật toán điều

99

khiển đònh hướng trường

5.3. Kết Luận:
Chương 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

99
100

ĐỀ TÀI
6.1. Kết Luận:
6.2. Hướng Phát Triển Đề Tài:
ABSTRACT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2

100
100
101
102
104
116


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG
LUẬN VĂN
 Hình thức và vò trí chỉ số:
s : Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ).

f : Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông
rotor ( hệ tọa độ d-q).
r : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực
là trục rotor.

 Chỉ số nhỏ góc phải dưới:
Chữ cái đầu tiên:
s : Đại lượng mạch stator.
r : Đại lượng mạch rotor.
Chữ cái thứ hai:
d, q : Đại lượng thuộc tọa độ d-q.
α, β : Đại lượng thuộc tọa độ α -β .
a, b, c : Đại lượng thuộc pha A,B,C.

 Các đại lượng của động cơ không đồng bộ ba
pha:
Ψ : Từ thông (Wb).
me : Moment điện từ (N.m).
mT :Moment tải (N.m).
ωr : Tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s).
ωs : Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωs=
ωr+ ωsl) (rad/s).
ωsl : Tốc độ trượt (rad/s).

Các thông số của động cơ không đồng bộ
ba pha:
Rs : Điện trở cuộn dây stator (Ω).
Rr : Điện trở cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (Ω).
Lm : Hỗ cảm giữa stator va rotor (H).
Lσs : Điện kháng tản của cuộn dây stator (H).

Lσr : Điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi
về stator (H).
p : Số đôi cực của động cơ.
J : Moment quán tính (kg.m2).

 Các thông số đònh nghóa thêm:
Ls : Điện cảm stator (H).
Lr : Điện cảm rotor (H).
Ts=Ls/Rs : Hằng số thời gian stator.
Tr=Lr/Rr : Hằng số thời gian rotor.


σ =1-Lm2/(LsLr) : Heä soá taûn [-].


Giới thiệu
Nhờ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn

GIỚI THIỆU
1.1. TỔNG QUAN:
Ngày nay, các thiết bò điện tử công suất được ứng
dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong đó bộ nghòch lưu
áp (một bộ phận của bộ biến tần) được sử dụng rộng
rãi trong các lónh vực truyền động điện động cơ không
đồng bộ vì luôn đòi hỏi với độ chính xác cao, tăng độ
tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu
chi phí bảo dưỡng và tăng khả năng điều khiển tinh vi.
Bộ nghòch lưu được dùng trong các thiết bò lò cảm ứng

trung tần, thiết bò hàn trung tần, bộ dự trữ năng lượng
(UPS), …. Ngoài ra, bộ nghòch lưu còn được ứng dụng vào
lónh vực bù nhuyễn công suất phản kháng lưới điện.
Bộ nghòch lưu áp đa bậc (từ 3 bậc trở lên ) được biết
đến như là bộ chuyển đổi công suất lớn, có nhiều
mức điện áp ở ngõ ra so với bộ nghòch lưu áp hai bậc.
Bộ nghòch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage Source Inverter
:VSI) (chương 2) có các ưu điểm chính như sau: điện áp
trên các tụ điện nhỏ, dạng sóng điện áp rất tốt (ít
hài) do đó số bậc càng cao thì chất lượng dòng điện
càng tốt và hiệu suất biến đổi năng lượng cao; giảm
các gai điện áp (dv/dt) trên các cuộn dây quấn của
động cơ; điện áp Common-Mode (C.M) sinh ra từ bộ nghòch
lưu nhỏ; công suất lớn vì vậy có thể hoạt động ở tần
số đóng cắt cơ bản và tần số đóng cắt cao. Nhưng còn
có nhiều hạn chế như: số lượng khoá bán dẫn lớn, điều
này làm cho hệ thống trở nên phức tạp và đắt tiền, …
Trong lónh vực truyền động điện động cơ điện không
đồng bộ, có nhiều phương pháp điều khiển thay đổi tốc
độ động cơ như:
 Điều khiển hằng số V/f: thường sử dụng trong hệ
điều khiển vòng hở, không yêu cầu sự chính xác
về tốc độ.
 Điều khiển trượt ( Sliding Mode Control - SMC): được sử
dụng để cải thiện hiệu suấtvà điều khiển moment
tốt hơn, bộ điều khiển đơn giản.
 Điều khiển vector hay điều khiển đònh hướng trường
(Field Orient Control - FOC): đây là phương pháp điều
khiển hiện đại đối với động cơ điện không đồng
bộ.

Trang 12


Giới thiệu
Nhờ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn

 Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control DTC) : phương pháp này dùng các cảm biến đo giá
trò hồi tiếp nên giá thành cao hơn.
So sánh các phương pháp điều khiển trên, nhận thấy
phương pháp điều khiển đònh hướng trường (FOC) dễ thực
hiện với cảm biến vò trí gắn bên ngoài động cơ có khả
năng điều khiển độc lập từ thông và moment là bắt
buộc để đạt đến độ chính xác cao nhất khi thay đổi các
điều kiện làm việc của động cơ trong điều khiển vận
tốc hay vò trí và đây là phương pháp được sử dụng nhiều
trong thực tế với các loại động cơ thường gặp.
Kết hợp các ưu điểm của bộ nghòch lưu áp đa bậc và
phương pháp điều khiển đònh hướng trường, nhiệm vụ
của đề tài này là thực hiện kỹ thuật điều chế vetor
không gian dùng sóng mang (Carrier Based – SVPWM) để
cân bằng các điện áp trên tải đối với bộ nghòch lưu
áp đa bậc với giải thuật tạo sóng gián đoạn (Minimum
CM DPWM) cho dạng sóng điện áp tốt, số lần chuyển
mạch ít, hiệu quả cao trong việc triệt giảm C.M (chương 3)
và ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ bằng phương pháp điều khiển dựa theo từ
thông rotor gián tiếp (IRFOC) (chương 4).

Với giải thật điều chế mới trên, cho dạng sóng điện
áp tốt; số lần chuyển mạch ít; hiệu quả cao trong việc
triệt giảm C.M; dòng điện tải không bò méo dạng; đáp
ứng tốc độ của động cơ nhanh; độ nhấp nhô moment
và dòng điện thấp. Đề tài luận văn tốt nghiệp “điều
khiển động cơ không đồng bộ cấp bởi bộ biến
tần 5 bậc theo phương pháp vector” sử dụng phần
mềm PSIM kết hợp với lập trình C/C++ được thể hiện qua
kết quả mô phỏng (chương 5) .
Nếu có điều kiện, chắc chắn hệ truyền động dùng
biến tần đa bậc sử dụng phương pháp Minimum CM DPWM
điều khiển tốc độ dựa theo từ thông được đề cử trong
luận văn tốt nghiệp sẽ được chế tạo bằng phần cứng
với độ ổn đònh cao. Tuy nhiên do thời gian có hạn, nên
đề tài chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết
điều khiển, có thể xem đây là hướng phát triển của
đề tài.
1.2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ ÁN:
1.2.1. Mục Tiêu:
Mục tiêu điều khiển bao gồm:

Trang 13


Giới thiệu
Nhờ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn

- Làm giảm số lần chuyển mạch và hài bậc cao điện

áp tải, dòng điện tải ít bò méo dạng, làm giảm nhỏ
biên độ sóng hài dòng điện bậc thấp.
- Triệt giảm C.M cho hệ thống biến tần - động cơ.
- Điều khiển chính xác tốc độ động cơ theo tốc độ
đặt, độ nhấp nhô của dòng điện và moment thấp, khả
năng cho đáp ứng moment tốt.
- Điều khiển tốc độ ra ổn đònh khi thay đổi các điều
kiện làm việc của động cơ.
- Xây dựng mô hình mô phỏng.
1.2.2. Các Nhiệm Vụ Cụ Thể:
Luận văn sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu kỹ thuật điều chế vector không gian
dùng sóng mang (CB - SVPWM) cho biến tần đa bậc với
giải thuật Minimum CM DPWM .
- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ dựa theo từ thông rotor gián tiếp (IRFOC)
bằng biến tần đa bậc.
- Lập giải thuật mô phỏng bằng phần mềm PSIM
kết hợp với lập trình C/C++ trên mô hình bộ nghòch lưu áp
5 bậc theo phương pháp vector.
- Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng
bộ cấp bởi bộ biến tần 5 bậc theo phương pháp vector.
- Rút ra kết luận và hướng phát triển đề tài.
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế, lập giải thuật
cho từng phương pháp, mô phỏng và đưa ra nhận xét cho
từng phương pháp. Cuối cùng chọn ra một phương pháp
điều khiển tối ưu nhất (CB - SVPWM).
- Ứng dụng kỹ thuật điều chế vector không gian dùng
sóng mang, xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán

điều khiển sử dụng phần mềm PSIM kết hợp với lập
trình C/C++ để điều khiển động cơ không đồng bộ cấp
bởi bộ biến tần 5 bậc theo phương pháp vector.
1.4. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN:
- Đề tài luận văn tốt nghiệp đã đề cử thực hiện
một phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng
mang mới cho số lần chuyển mạch ít, hiệu quả cao trong
việc triệt giảm C.M của bộ nghòch lưu áp đa bậc.
- Để kiểm chứng thêm một lần nữa tính ổn đònh của
phương thức điều chế mới đề tài cũng đã thực hiện
phương thức điều khiển theo từ thông rotor gián tiếp
(IRFOC) để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.
1.5. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

Trang 14


Giới thiệu
Nhờ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn

Nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu giảng
dạy cho sinh viên Đại Học và Cao Học trong việc đào tạo
kỹ sư và thạc só chuyên ngành Kỹ Thuật Điện.
1.6. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN:
Luận văn gồm các phần sau:
Chương 1: Hệ truyền động động cơ không đồng bộ.
Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc.
Chương 3:Điều khiển bộ nghòch lưu áp đa bậc – phương

pháp điều chế vector không gian dùng sóng
mang (CB - SVPWM).
Chương 4:Hệ truyền động biến tần - động cơ điều
khiển theo đònh hướng trường (IRFOC).
Chương 5:Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ
cấp bởi bộ biến tần 5 bậc theo phương pháp
vector.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

Trang 15


Chương 1: Hệ truyền động động cơ KĐB
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 1:

HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
GIỚI THIỆU:
Trước đây, hầu hết các hệ thống tự động điều
khiển đều sử dụng các động cơ điện DC kích từ độc lập
hoặc kích từ song song vì loại động cơ này dễ điều khiển
ổn đònh hơn các loại động cơ khác. Nhưng trong các năm
gần đây theo xu hướng phát triển của kỹ thuật điện tử,
kỹ thuật vi xử lý, các bộ điều khiển có khả năng
điều khiển các động cơ AC theo một chương trình cài đặt
sẳn ngày một hoàn thiện đã đưa động cơ không đồng
bộ trở thành lựa chọn ưu tiên cho một hệ thống điều
khiển tự động. Bởi vì nguồn AC thì ở đâu cũng có và
cấu tạo động cơ DC thì phức tạp do giá thành cao, chi phí

cho vận hành và bảo dưỡng sửa chữa lớn,…Vì vậy,
hiện nay những nhà thiết kế hệ thống điều khiển tự
động chuyển sang sử dụng động cơ không đồng bộ rotor
lồng sóc trong các hệ điều tốc có khả năng thay đổi
một cách linh hoạt theo yêu cầu thực tiễn.

Động cơ
không
đồng
bộ 3
pha

Hình 1.1: Hệ truyền động biến tần – động cơ sử dụng
khoá bán dẫn
Với những hệ truyền động cần công suất nhỏ các
nhà thiết kế hiện nay cũng còn có một loại động cơ
khác để lựa chọn đó là động cơ bước. Ưu điểm nổi bật
của động cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều
khiển theo một chương trình đònh trước. Nhưng vấn đề
công suất chính là trở ngại lớn cho hệ truyền động
dùng động cơ bước. Vì vậy, hiện nay trong công nghiệp
chủ yếu người ta sử dụng hệ thống biến tần – động cơ
không đồng bộ (hình 1.1).

Trang 15


Chương 1: Hệ truyền động động cơ KĐB
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
Trong hệ trình bày hình 1.1, sử dụng bộ nghòch lưu gồm 6

transistor chuyển nguồn một chiều U dc sang điện áp 3 pha cung
cấp cho động cơ điện AC không đồng bộ. Để kích dẫn các
khoá transistor, hiện nay với các bộ biến tần đa bậc người ta
thường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (Digital Signal
Proccesing - DSP). Trong hệ này người ta sử dụng các vi mạch
chuyên dụng trong DSP cũng như trong điều chế để điều khiển
chế độ đóng cắt của các khoá bán dẫn nhằm thay đổi tốc
độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số nguồn cung cấp f 1.
1.2. CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ:

Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không
đồng bộ xoay chiều 3 pha một sức điện động 3 pha xoay
chiều hình sin thì nó sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ
đồng bộ:
(1.1)
Với: f1 là tần số nguồn 3 pha cung cấp cho động cơ
không đồng bộ.
P là số đôi cực từ của bộ dây quấn 3 pha.
Từ công thức (1.1) ta có thể thay đổi tốc độ động
cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha theo các phương
pháp sau:
1.2.1. Thay Đổi Tần Số Lưới f1:
Với những tiến bộ kỹ thuật trong lónh vực vi xử lý
và linh kiện bán dẫn công suất lớn, các bộ biến tần
tạo sóng sin ngày càng hoàn thiện với giá thành ngày
một thấp. Đã tạo nên chổ đứng vững chắc cho động cơ
điện AC không đồng bộ 3 pha trong hệ truyền động cần
có sự điều chỉnh và ổn đònh tốc độ. Sử dụng các bộ
biến tần điều khiển tốc độ động cơ cho phép thay đổi

tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn , có bảo
vệ quá tải, … Bên cạnh việc thay đổi tần số nguồn
cung cấp, phương pháp này cần thay đổi cả điện áp
nguồn U cung cấp cho động cơ (U/f = const) để giữ mật độ
từ thông khe hở là không đổi. Vì ngoài quan hệ (1.1),
trong động cơ không đồng bộ AC 3 pha còn có quan hệ M t,
U1, và f1 (công thức 1.2). Moment cực đại mmax trong trường
hợp này gần như không đổi.
(1.2)
1.2.2. Thay Đổi Số Đôi Cực Từ P:
Thông thường người ta sử dụng các bộ chuyển mạch cơ
khí để đổi đấu nối giữa các cuộn dây trong bộ dây
quấn stator hay thay đổi giữa hai bộ dây quấn trên cùng
lõi thép kỹ thuật điện ở stator nhưng có cấu trúc khác

Trang 16


Chương 1: Hệ truyền động động cơ KĐB
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
nhau về số đôi cực từ nhằm thay đổi số đôi cực từ p
để thay đổi tốc độ từ trường quay. Khi thay đổi số đôi
cực ta phải chú ý rằng số đôi cực ở stator và ở rotor
phải như nhau. Nghóa là khi thay đổi số đôi cực từ ở
stator thì ở rotor cũng phải thay đổi theo. Như vậy rất khó
thực hiện cho động cơ rotor dây quấn, nên phương pháp
này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rotor
lồng sóc vì loại động cơ này có khả năng tự thay đổi số
đôi cực ở rotor để phù hợp với số đôi cực ở stator. Đối
với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stator phải

có từ hai bối dây trở lên hoàn toàn giống nhau. Do đó
càng nhiều cấp tốc độ thì kích thước, trọng lượng và giá
thành sẽ cao. vì thế nếu dùng phương pháp này thì trong
thực tế thường dùng tối đa bốn cấp tốc độ.

Trang 17


Chương 1: Hệ truyền động động cơ KĐB
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
1.2.3. Thay Đổi Điện p Trên Bộ Dây Quấn Stator:
Đây là phương pháp có thể ứng dụng chung cho tất
cả các loại động cơ điện. Đối với động cơ điện AC
không đồng bộ 3 pha (công thức 1.2) khi thay đổi giá trò
điện áp đi k lần thì moment thay đổi đến k 2 lần do đó thay
đổi được tốc độ động cơ điện. Nghóa là khi ta giảm điện
áp đi 0.7 lần thì moment giảm đến (0.7)2 = 0.49 lần.
1.2.4. Thay Đổi Điện Trở Phụ Trên Mạch Rotor:
Đây là phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đơn
giản và chỉ được sử dụng với các động cơ không đồng
bộ rotor dây quấn (vì phải có bộ dây quấn ở rotor thì
mới có thể gắn vào các điện trở phụ để điều chỉnh
tốc độ).
Cả hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng
cách thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator hoặc
gắn thêm điện trở phụ vào mạch rotor có đặc điểm là
hiệu suất rất thấp ở tốc độ thấp và phạm vi thay đổi
không được nhiều ki tải thay đổi.
1.2.5. Bằng Cuộn Kháng Bão Hoà:
Đây là phương pháp dựa trên phương pháp thay đổi

điện áp trên bộ dây quấn stator động cơ. Điện kháng
bão hoà là thiết bò điện từ có trò số điện kháng thay
đổi được. Nguyên tắc làm việc là sử dụng một nguồn
năng lượng nhỏ thay đổi độ từ hoá của lõi thép, từ đó
thay đổi điện áp đặt trên bộ dây quấn stator động cơ.
1.2.6. Nhận Xét:
Trong các phương án vừa nêu trên thì phương án thay
đổi số đôi cực từ p sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí
để thay đổi số đội cực nhằm thay đổi tốc độ động cơ
thông dụng hơn các phương án thay đổi điện trở phụ trên
mạch rotor, thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator
hoặc sử dụng cuộn kháng bão hoà. Do có những ưu
điểm là rẻ tiền và làm việc với độ tin cậy cao; nhưng
nhược điểm lớn nhất của chúng là khoảng thay đổi tốc
độ hẹp, không trơn (nhảy cấp) và không ổn đònh được
tốc độ (yêu cầu quan trọng nhất của hệ truyền động
điều tốc động cơ). Do vậy, ở đây đề tài chỉ nghiên
cứu hệ thống điều tốc thông dụng nhất là các
hệ truyền động sử dụng bộ biến tần với thiết bò
đóng cắt dùng khóa bán dẫn.
1.3. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG:
Tổng quát động cơ điện như một nguồn moment thay
đổi được. Yêu cầu điều khiển chính xác giá trò moment
tức thời của động cơ được đặt ra trong các hệ truyền

Trang 18


Chương 1: Hệ truyền động động cơ KĐB
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều
khiển vò trí trục rotor. Phương trình moment động cơ:
(1.3)
Moment động cơ sinh ra là kết quả tương tác giữa
dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống
kích từ động cơ. Từ thông được giữ ở mức tối ưu nhằm
đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức
độ bão hoà của mạch từ, với từ thông có giá trò
không đổi moment tỉ lệ thuận với dòng ứng.
Đối với động cơ không đồng bộ, cuộn ứng là rotor
và từ thông sinh ra bởi dòng trong cuộn stator. Tuy nhiên,
dòng stator không thể điều khiển trực tiếp bởi nguồn
ngoài vì vậy việc điều khiển moment tối ưu khó thực
hiện. Phương pháp điều khiển đònh hướng từ trường
động cơ không đồng bộ cho phép việc điều khiển từ
thông và moment động cơ độc lập từ đó việc điều
khiển tốc độ động cơ được dễ dàng.
(1.4)
Trong máy điện không đồng bộ góc không gian giữa
từ trường quay stator và rotor luôn thay đổi theo tải và
ảnh hưởng đến đáp ứng động cơ. Điều khiển góc
không gian này bằng cách điều khiển dòng điện ngõ
vào stator bởi việc tính toán tạo tách biệt hai thành
phần điều khiển từ thông ( isd ) và moment ( isq ) là nội
dung của phương pháp điều khiển đònh hướng trường.
Để sử dụng phương pháp điều khiển đònh hướng
trường cần phải:
- Cần có thông tin biên độ, vò trí của vector từ
thông rotor.
- Điều khiển hệ thống dựa trên sự phân tích hệ

thống gắn liền với hệ toạ độ từ thông rotor.
Từ hệ phương trình (1.4) khi từ thông rotor được
giữ không đổi thì moment động cơ điều khiển độc
lập với từ thông. Đây là nguyên tắc điều khiển
của phương pháp này.

Trang 19


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
CHƯƠNG 2:

BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC
2.3. GIỚI THIỆU:
2.1.1. Khái Niệm:
Bộ nghòch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ
nguồn điện DC không đổi sang dạng năng lượng điện AC
để cung cấp cho tải xoay chiều.
Bộ nghòch lưu áp là một bộ nghòch lưu có nguồn DC
cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ
ra là điện áp.
Bộ nghòch lưu dòng là bộ nghòch lưu có nguồn DC cung
cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra
là nguồn dòng. Trên thực tế, nguồn một chiều là
nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là bộ nghòch lưu áp.
Bộ nghòch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp
xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp DC có thể là: acquy,
pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng,
…

Linh kiện trong bộ nghòch lưu áp có khả năng kích
đóng và kích ngắt dòng điện qua nó. Trong các ứng dụng
với công suất nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT,
MOSFET, IGBT. phạm vi công suất lớn có thể sử dụng
GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bò một
diode mắc đối song với nó để hạn chế điện áp phát
sinh khi kích ngắt các công tắc.
2.1.2. Phân Loại:
Bộ nghòch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều
phương pháp điều khiển khác nhau:
- Theo số pha điện áp đầu ra: nghòch lưu áp một pha,
ba pha.
- Theo số cấp giá trò điện áp giữa đầu pha tải đến
một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc
(Two-level), đa bậc (Multi-level- từ 3 bậc trở lên).
- Theo cấu hình hình của bộ nghòch lưu: dạng cascade
(Cascade inverter), dạng nghòch lưu chứa diode kẹp NPC
(Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), …
- Theo phương pháp điều khiển:
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung (Subharmonic
PWM: SH- PWM).

Trang 19


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến
(Modified PWM hay Switching Frequence Optimal: SFO PWM).

+ Phương pháp điều chế vector không gian dùng sóng
mang (Carrier Based Space Vector PWM: CB-SVPWM).
CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA
BẬC:
2.2.1. Cấu Trúc Dạng Cascade (Cascade Inverter):
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường
hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy,
battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ nghòch lưu áp cầu 1
pha ghép nối tiếp, các bộ nghòch lưu áp dạng cầu 1 pha
này có các nguồn DC riêng.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ
nghòch lưu áp 1 pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo
thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghòch lưu áp
trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức
điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, …, -nU), n khả
năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U, …nU)
và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghòch lưu áp dạng
cascade gồm n bộ nghòch lưu áp 1 pha trên mỗi nhánh sẽ
tạo thành bộ nghòch lưu (2n +1) bậc.

Hình 2.1: Bộ nghòch lưu áp đa bậc dạng cascade inverter
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch
này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng vậy. Điện áp
trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0.57 lần, cho phép
sử dụng IJBT điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghòch lưu áp 1 pha,
mạch nghòch lưu áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra
của các bộ nghòch lưu áp 3 pha. Cấu trúc này cho phép
giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép
sử dụng các cấu hình nghòch lưu áp 3 pha chuẩn. Mạch

nghòch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC,
không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy

Trang 20


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp
ngõ ra (hình 2.2).

Hình 2.2: Cascade inverter sử dụng bộ nghòch lưu áp 3 pha
2.2.2. Cấu Trúc Bộ Nghòch Lưu p Chứa Cặp Diode
Kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter-NPC):

Hình 2.3: Bộ nghòch lưu áp 6 bậc dạng diode kẹp (NPC)
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ
thống điện AC. Bộ nghòch lưu đa bậc chứa các cặp diode
kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một
số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc
nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn
bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha-nguồn DC có thể
đạt được (n+1) giá trò khác nhau và từ đó bộ nghòch lưu
được gọi là bộ nghòch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ (xét hình
2.3) chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức

Trang 21

Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
điện áp có thể đạt được gồm (0, U, 2U, 3U,…nU). Điện áp
từ 1 pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vò trí bất kỳ
trên (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó(ví dụ D1,
D1’). Để điện áp pha - nguồn DC đạt được mức điện áp
nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bò kẹp giữa hai
diode (Da4, Da4’) gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề
nhau, phải được kích đóng (sa5,sa’1, sa’2, sa’3, sa’3, sa’4),
các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích
đối nghòch. Như hình vẽ trên, tạo ra 6 mức điện áp pha nguồn DC nên mạch nghòch lưu trên gọi là bộ nghòch lưu 6
bậc.
Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng
sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n
lần. Với bộ nghòch lưu 3 bậc, dv/dt trên linh kiện và tần
số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n>3, mức
độ chòu gai áp trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra,
cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở
nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
2.2.3.
Cấu Trúc Dùng Tụ Điện Thay Đổi (Flying
Capacitor Inverter):

Hình 2.4: Bộ nghòch lưu áp dùng tụ điện thay đổi
Ưu điểm chính của bộ nghòch lưu này là:
+ Khi số bậc tăng cao thì không cân dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản
kháng nên từ đó có thể điều tiết việc phân bố công
suất trong lưới có dùng biến tần.
Nhưng bên cạnh đó còn có một số nhược điểm sau:

+ Số lượng tụ công suât lớn tham gia trong mạch nhiều
dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của bộ
nghòch lưu tăng cao.
2.2.4. Nhận Xét:
Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều
có ưu nhược điểm riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là

Trang 22


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
hai dạng: NPC và Cascade vì sơ đồ dùng tụ khó thực hiện
bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với một mức
điện áp khác nhau khi mạch làm việc với số bậc lớn.
Sau đây, trong luận văn chỉ phân tích bộ nghòch lưu
áp dạng sơ đồ câu trúc dạng NPC.
2.3. CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT:
2.3.1. Tổng Quát:
Xét bộ nghòch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp
(hình 2.3). Gọi U là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ
phụ thuộc độ lớn điện áp pha – nguồn DC cần thiết lập,
các linh kiện bò kẹp giữa cặp diode nối đến một điện
thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích
đóng. Điện áp pha - tâm nguồn DC tính từ điểm đấu dây
của 1 pha tải đến một điện thế chuẩn trên mạch điện
DC.
Trạng thái đóng ngắt của các các khoá bán dẫn
trên một nhánh tải của các pha a, b, c phải thoả mãn

điều kiện kích đối nghòch:
Saj+S’aj=1 ;Sbj+S’bj=1; Scj+S’cj=1
(2.1)
Với j = 1, 2, 3, …(n-1).
Gọi N là điểm nút 3 pha tải dạng sao (Y) đối xứng.
Điện áp 3 pha tải:
uta = uao-uNO;
utb = ubo-uNO;
utc = uco-uNO
Ta có:
uta+ utb + utc = 0
(tải đối xứng)

uao + ubo + uco - 3uNO = 0

(2.2)

(2.3)
Nếu 3 pha tải dạng tam giác (), điện áp pha tải
bằng điện áp dây do bộ nghòch lưu cung cấp:
ut12 = u10 –u20;
(2.4)

ut23 = u20 –u30; ut31 = u30 –u10

2.3.2.Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p 3
Bậc:

Trang 23

Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

Hình 2.5: Pha A của bộ nghòch lưu áp 3 bậc
Xét pha A của bộ nghòch lưu áp 3 bậc dạng chứa
cặp diode kẹp (hình 2.5). Gọi Udc/2 là độ lớn điện áp trên
mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha. Các linh
kiện kẹp giữa cặp diode nối đến điện thế trên mạch DC
cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích. Điện áp pha – tâm
nguồn DC đạt được các giá trò cho trong bảng sau:
Vout = Vxo
Udc/2
0
-Udc/2

Sx1
1
0
0

Sx2
1
1
0

Sx3
0
1
1

Sx4
0
0
1

Với x = a, b, c.
Ta thấy có 3 mức điện áp ra tương ứng với 3 trạng
thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi pha. Vậy có 3 3 = 27
trạng thái đóng ngắt cho bộ nghòch lưu áp 3 bậc.

Trang 24


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
2.3.3.Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghòch Lưu p 5
Bậc:

Hình 2.6: Pha A của bộ nghòch lưu áp 5 bậc
Xét pha A của bộ nghòch lưu áp 5 bậc dạng chứa
cặp diode kẹp (hình 2.6). Gọi Udc/4 là độ lớn điện áp trên
mỗi tụ riêng lẻ. Chọn điểm tâm (0) nguồn DC tại vò trí
giữa, điện áp pha – tâm nguồn DC đạt được các giá trò
cho trong bảng sau:
Vout =Vxo Sx4
Sx3
Sx2
Sx1
Sx4’

Sx3’
Sx2’
Sx1’
Udc/2
1
1
1
1
0
0
0
0
Udc/4
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0

-Udc/4
0
0
0
1
1
1
1
0
-Udc/2
0
0
0
0
1
1
1
1
Với x = a, b, c.
Ta thấy có 5 mức điện áp ra tương ứng với các
trạng thái đóng ngắt cho mỗi pha. Vậy có tổng cộng 5
trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho một pha, nên có
53 = 125 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha.
2.4. NHẬN XÉT:
Có thể điều khiển bộ nghòch lưu áp (điều khiển tín
hiệu đóng ngắt lên các linh kiện) bằng nhiều phương
pháp, mỗi phương pháp có thể thích hợp với các loại tải
khác nhau. Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động
chủ yếu đối với tải công suất lớn. Do đó vấn đề đặt
ra là giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện

áp trên linh kiện công suất có ý nghóa quan trọng. Các
thuật toán cố gắng thực hiện duy trì trạng thái cân
bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng
Common – mode voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện
tượng làm sớm lão hoá động cơ.
Các chương sau sẽ trình bày cụ thể các phương pháp
điều khiển thông dụng (Xem Phụ lục 1) và chọn ra một

Trang 25


Chương 2: Bộ nghòch lưu áp đa bậc
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
phương pháp điều khiển tối ưu nhất (chương 3: Phương
pháp điều chế vector không gian dùng sóng mang
(CB-SVPWM)) để điều khiển động cơ không đồng bộ cấp
bởi bộ biến tần đa bậc theo phương pháp vector.

Trang 26