THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU 3 PHA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN &TỰ ĐỘNG HÓA
----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ

Giáo viên hướng dẫn: TS.Võ Quang Vinh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Xoan
Mã sinh viên:

1481410086

Khoa: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
Lớp :

D9-CNTĐ1

Khóa :

2014-2019

0


TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Họ và tên: Nguyễn Thị Xoan
Lớp: D9-CNTĐ1
Nhóm: 05

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

TÊN ĐỀ TÀI:
“THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XOAY
CHIỀU 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ”
CHƯƠNG 1: Phân tích, lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ .
CHƯƠNG 2: Lựa chọn thiết bị.
CHƯƠNG 3: Mô phỏng hệ thống.
Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 07 tháng 04 năm 2018
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày 30 tháng 05 năm 2017
Hà Nội, ngày 07 tháng 4 năm 2018
Người hướng dẫn

TS. Võ Quang Vinh

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………..
2


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ................................................................................................................................. 8
1.1 Các loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không đồng bộ................8
1.2 Hệ thống điều tốc vòng kín điều chỉnh điện áp mạch Stator..................9
1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp.........9
1.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp và đặc tính
tĩnh của hệ.................................................................................................11
1.3 HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TẦN SỐ.......................................................15
1.3.1 Phương trình điều khiển cơ bản của hệ thống truyền động biến tần
biến tần – Động cơ không đồng bộ ba pha................................................15
1.3.2 Các bộ biến tần kiểu tĩnh.................................................................17
1.3.3 Bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM).................20
1.3.4 Điều chế véc tơ điện áp không gian.................................................23
1.3.5 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ không đồng bộ khi điều khiển phối hợp

tần số và điện áp.......................................................................................32
1.4. Mô phỏng trên Matlab & Simulink........................................................39
1.4.1 Tham số động cơ sử dụng trong hệ thống........................................39
1.4.2 Mô hình Simulink vòng hở SPWM cho động cơ KĐB 3 pha..........39
1.4.3 Đồ thị dạng sóng sin SPWM.........................................................40
1.4.4 Đồ thị tốc vòng hở:........................................................................41
1.4.5 Đồ thị dòng Rôto.............................................................................42
1.4.6 Đồ thị điện áp đầu ra.....................................................................42
CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN THIẾT BỊ...............................................................44
2.1 Giới thiệu về biến tần OMRON 3G3MV................................................44
2.1.1 Tổng quan về biến tần:.....................................................................44
2.1.2 Giới thiệu biến tần 3G3MV OMRON...........................................44
3


2.1.3 Đặc tính kỹ thuật..............................................................................46
2.1.3 Sơ đồ đấu dây:...............................................................................47
2.1.4 Cài đặt thông số chạy thử..............................................................48
2.2 TỔNG QUAN VỀ ENCODOR..............................................................52
2.2.1 Khái niệm về encodor......................................................................52
2.2.2 Cấu tạo của ENCODOR quay ngang...............................................52
2.2.3 Phân loại..........................................................................................53
2.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha Mitsubishi SF-JR.................................54
2.3.1 Motor điện Mitsubishi SF-JR – 1.5kw 2hp 2p.................................54
2.3.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật..........................................................................54
CHƯƠNG 3:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG............................................60

3.1 Hệ điều khiển tự động tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha..............60

3.2 Các lưu đồ công nghệ cho quá trình làm việc......................................60
3.3 Sơ đồ simulink mô phỏng vòng kín......................................................61

4


LỜI MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại
hóa. Vì thế tự động hóa đóng vai trò quan trọng , tự động hóa giúp tăng năng suất,
tăng độ chính xác và do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất. Để có thể thực hiện tự
động hóa sản xuất, bên cạnh các thiết bị máy móc cơ khí hay điện, các dây truyền sản
xuất…v..v, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng. Trong các thiết bị hiện
đại được đưa vào các dây truyền sản xuất tự động đó không thể không kể đến biến tần
và PLC.
Bộ biến tần không chỉ điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số, khởi
động mềm động cơ mà còn góp phần đáng kể giảm năng lượng điện tiêu thụ trong các
cơ sở sản xuất của doanh nghiệp. Vì vậy bộ biến tần có vai trò rất quan trọng trong đời
sống và hoạt động của các doanh nghiệp.
PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được ứng dụng rộng rãi trong công
gnheiejp để điều khiển hệ thống theo một chương trình nên PLC có thể được ứng dụng
để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau. Nếu muốn thay đổi quy luật hoạt
động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản ta chỉ cần thay
đổi chương trình điều khiển. Các đối tượng mà PLC có thể điều chỉnh được rất đa
dạng, từ máy bơm, máy cắt,máy khoan,lò nhiệt….. đến các hệ thống phức tạp như:
bang tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS) ,thang máy,dây chuyền sản xuất…v…v
Xuất phát từ đặc điểm trên em đã chọn đề tài : “THIẾT KẾ HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA KHÔNG ĐỒNG
BỘ”
Nội dung đồ án gồm 3 chương :
CHƯƠNG 1: Phân tích, lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ .

CHƯƠNG 2: Lựa chọn thiết bị.
CHƯƠNG 3: Mô phỏng hệ thống.
Để hoàn thành tốt đề tài, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Quang Vinh
và các thầy cô trong khoa Điều Khiển & Tự Động Hóa trường đại học Điện Lực đã
giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đề tài. Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt
,trang bị kiến thức chuyên môn . Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp D9CNTD1 đã có những góp ý quý báu cho nhóm.
Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình
làm đề tài. Nhóm mong có nhữn gý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đẻ có
thể hoàn thiện được đề tài tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
5


CHƯƠNG I:

PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ
1.1 Các loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, trong đó không có sự phân
ly giữa phần cảm ( kích thích sinh từ thông từ hóa) và phần ứng. Từ thông động cơ và
momen là các hàm phi tuyến của nhiều biến. Chính vì vật mà trong điịnh hướng xây
dựng các hệ truyền động điện không đồng bộ người ta thường có xu hướng tiếp cận
với đặc tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Để có thể đưa ra
các phương háp chung trong điề khiển, hãy xét phương trufnh cân bằng công suất của
động cơ không đồng bộ :
Trong đó : công suất điện từ truyền từ stato sang roto
M : công suất cơ
: tổn hao đồng trên điện trở mạch roto
Như vậy với một momen với tải xác định ( ) muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ, chủ yếu chỉ có hai hướng hoặc là điều chỉnh tốc độ đồng bộ hoặc là điều

chỉnh công suất tổn hao . Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh
tần số, phương pháp thứ hai liên quan đến điều chỉnh điện trở mạch roto hoắc điều
chỉnh công suất trượt. Khái quát chung về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
xoay chiều không đồng bộ ba pha.
Trong bảng ta thấy có bốn phương pháp, nếu đứng về phương điện tổn thất khi điều
chỉnh ta có hai phương pháp. Điều chỉnh tổn thất và điều chỉnh kinh tế. Còn phân loại
theo sơ đồ bố trí mạch lực ta có mạch tác động lên stato mạch tác động vào roto.
 Phương pháp điều chỉnh điện áp stato dùng tiristo có phạm vi điều chỉnh tốc độ
và momen hẹp. Đường 1 là đường giới hạn góc mở , đường 2 hạn chế do đưa
điện trở phụ, đường 3 hạn chế do quá đòng điện. Vì vậy ngày nay người ta ít
dùng ,chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc phụ tải
bơm và quạt gió.
 Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào roto của động cơ không đồng bộ
rôt dây quấn. Thực chất là phương pháp tổn thất, hiệu suất truyền động suy
giảm khi chiều chỉnh sâu tốc độ. Tuy vậy phương pháp này có hiệu quả tốt là
moomen khởi động lớn , thích hợp với truyền động cơ cấu nâng hạ của cấu trúc
và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải công suất nhỏ và trung bình.
 Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thực hiện đối với động cơ roto quấn
dây. Thực chất của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho
động cơ ở phóa sau sato, với phụ tải định trước , để điều chỉnh giảm tốc độ
( giảm trượt ) được biến đổi trả lại lưới , nếu bỏ qua tổn thất bộ biến đổi ta có .
Như vậy công suất điện tiêu thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ ,
6


nên phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh kinh tế .Tuy vậy nó dùng
ở dải công suất lớn ( > 400kw) thì mới có hiệu quả kinh tế.
 Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được sử dụng cho động cơ
không đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực
tiếp công suát điện đầu vào động cơ , đặc tính cơ có độ cứng không thay đổi

trong dải biến đổi ngày càng hạ , tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ
truyền động điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

7


Hình 1.1 Khái quát phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha

1.2 Hệ thống điều tốc vòng kín điều chỉnh điện áp mạch Stator
8


1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp
Mômen động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen và
tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến
đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như vẽ:

Hình 1.2: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng Ustato
b) Các đặc tính điều chỉnh bằng Ustato
Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Z b = 0), khi ub < uđm thì mômen tới
hạn Mth.u tỉ lệ với bình phương điện áp.
, hay

M th.u *  ub*2

Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi :

M u  ub
*

*2

,   const ,

Mu 

Mu
M gh

Uđm - điện áp định mức của động cơ
ub - điện áp đầu ra của ĐAXC
Mth - mômen tới hạn khi điện áp là định mức
Mu - mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh
Mgh - mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf
9


Ưu điểm:
-

Phương pháp này có thể kết hợp với điều khiện mở máy (hạn chế dòng mở
máy)
Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào góc mở  của chỉnh lưu.
Thiết bị đơn giản, dễ vận hành. Khi sử dụng phương án này đặc tính cơ của
động cơ được giữ nguyên dải điều chỉnh vô cấp.

Nhược điểm:
-

Vì từ phương trình đặc tính cơ ta có mômen tỷ lệ với bình phương điện áp

M

M

kd và mômen
nm cũng giảm
khi giảm điện áp thì mômen khởi động
theo nên khi giảm điện áp không giảm quá 30% để tránh không đủ mô men
khởi động máy.

1.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp và đặc tính tĩnh
của hệ
Với tần số và tốc độ động cơ không đổi thì mômen tỷ lệ với bình phương điện áp
stator. Việc điều chỉnh điện áp stator là không triệt để do mọi đặc tính điều chỉnh
đều đi qua điểm không tải lý tưởng, tổn thất công suất trượt của động cơ tăng lên
nếu giảm tốc độ quay của rôto:

P  M c  0     Pco

10

s
1 s


Hình 1.3 : Sơ đồ điều chỉnh điện áp stator
Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng:
x

x

� �
� �
M c  M cdm � ��M cdm � �
�cdm �
�0 �
tức là động cơ có độ trượt định mức nhỏ, thì tổn thất khi điều chỉnh sẽ là:
x

� � �  �
Pr  M cdm � �.0 �
1 �

� 0 � � 0 �
Giá trị cực đại của tổn thất công suất:

Pr max  M cdm .0 �Pdm
11


x

� � �  �
Pr
 � �. �
1 �
Pr max �0 � � 0 �
Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stator chỉ thích hợp nhất với các loại
tải có mômen là hàm tăng tốc độ.

Cấu trúc một hệt thống điều chỉnh điện áp như trên hình 1.3, trong đó để thiết lập
mạch vòng dòng điện có thể lấy phản hồi dòng điện stato, hoặc phản hồi dòng điện
roto nếu sử dụng động cơ roto dây quấn.
Trong trường hợp sử dụng động cơ roto lồng sóc thì phản hồi dòng điện stato được
thiết lập, việc tổng hợp mạch vòng dòng điện được tiến hành như ở mục trước đã nêu.
Momen động cơ cũng được tính theo dòng điện stato:

M

Ls  1    2
I  f  Is , 
sth  s

 sth

Nếu chọn một điểm làm việc nào đó có các thông số:

U so , so , M co , I so , f ro ,....

Hình 1.4 : Điều chỉnh điện áp stator động cơ lồng sóc
thì có thể dùng mô hình tuyến tính hóa động cơ khi bỏ qua quá trình quá độ
điện từ:
M 

�
M
�
M
I s 


�
Is
�


Việc xây dựng đặc tính tĩnh thường được tiến hành bằng phương pháp đồ thị do tính
chất phi tuyến của hệ. Coi mạch phát xung răng cưa có các quan hệ tuyến tính.
12


U tm  U dk 

U tm

trong đó

U tm

- biên độ của điện áp răng cưa;

U dk

- điện áp điều khiển;

 - góc thông chậm.
Ở chế độ xác lập thì điện áp điều chỉnh được xác định bởi hệ số khuếch đại của bộ
điều chỉnh, điện áp đặt tốc độ và tốc tốc độ quay:

udk  K R  U d   . 

Hình 1.5 : Xây dựng đặc tính tĩnh bằng phương pháp đồ thị
Trong đó là hệ số phản hồi tốc độ.
Thay các giá trị vào phương trình tính ta được:

� K a  U d   .  �
  �
1
�
U tm
�
�
 
M  
Đặt hai đồ thị   và đặc tính cơ hệ hở
cạnh nhau à thực hiện các
bước dựng hình theo mũi tên chỉ ra được đặc tính tĩnh của hệ kín ứng với mỗi giá trị

của giá trị của tốc độ đặt

Ud

.
13


+-1.3 HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TẦN SỐ
1.3.1 Phương trình điều khiển cơ bản của hệ thống truyền động biến tần biến tần
– Động cơ không đồng bộ ba pha
Khi điều tốc động cơ điện một nhân tố quan trọng là phải cố gắng duy trì được lượng

từ thông m trên mỗi cực không đổi và bằng giá trị định mức. Từ thông quá yếu sẽ
không phát huy hết khả năng của lõi sất động cơ , là một dạng lãng phí, nếu tăng từ
thông có thể làm cho nó bão hòa, dẫn tới dòng điện kích từ quá lớn, có thể làm hỏng,
cuộn dây động cơ do quá nóng. Đối với động cơ một chiều hệ thống kích từ là độc lập,
chỉ cần có lượng bù phù hợp với phản ứng sẽ giữ được m không đỏi một cách dễ
dàng. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ từ thông là do tổng hợp tác dụng của
mạch rotor và stator gây ra làm như thế nào để giữ cho không đổi ? Đây là vấn đề phải
được nghiên cứu trước tiên.
Chúng ta đều biết giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng của mỗi pha stator
động cơ không đồng bộ ba pha là :

E f  4, 44 f1 N1k N 1 m
E
Trong đó : f là giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng đo từ thông ở khe hở
không khí trong mỗi pha stator động cơ không đồng bộ ba pha gây ra đơn bị đo là V;
f1 là tần số mạch stator đơn vị đo là Hz;
N1 là số vòng quấn của mỗi cuộn dây mỗi pha stator

kN1
m

là hệ số cuộn dây đối với sóng cơ bản
là từ thông ở khe hở không khí mỗi cực đơn vị là Wb;

Từ công thức có thể thấy , chỉ cần điều khiển tốt

Ef

và f1

là có thể đạt được mục

đích điều khiển từ thông  m sau đây sẽ xét các trường hợp điều chỉnh dưới và trên tần
số cơ bản (tần số định mức f1dm )
1.3.1.1 Điều chỉnh tốc độ thấp tần số cơ bản
Từ công thức có thể thấy , muốn giữ cho không đổi, khi điều chỉnh giảm tần số từ trị
số định mức trở xuống , bắt buộc phải đồng thời giảm xuống, làm cho :
nghĩa là sử dụng phương thức điều khiên với tỷ số điện động và tần số là hằng số.
Nhưng sức điện động cảm ứng trong cuộn dây là khó điều khiển , khi trị số sức điện
động khá cao , có thể bỏ qua lượng xụt áp trên điện trở và điện kháng tần số của cuộn
stator, và coi điện áp pha của stator , vì thế:

14


Đây là phương thức điều khiển tỷ số điện áp và tần số là hằng.

Hình 1.6: Đặc tính điều khiển tỷ số điện áp và tần số hằng số:
a) Không bù sụt áp mạch stator; b)có bù điện áp mạch stator

Lúc tần số thấpvà đều khá nhỏ , thành phần sụt áp điện trở và điện kháng tần chiếm tỷ
lễ khá lớn, không thể bỏ qua . Lúc này, cần phải nâng cao điện áp lên một ít nhằm bù
lại lượng sụt áp mạch stator. Đặc tính điều khiển tý số điện áp tần số là hằng số được
thể hiện trên hình , trong đó khi có bù sụt áp stator là đường b, còn không bù là đường
a.
1.3.1.2. Điều tốc cao hơn tần số cơ bản
Khi điều tốc cao hơn tần số cơ bản , tần số có thể tăng lên từ nhưng điện áp không
thể tăng quá điện áp định mức tối đa là chỉ giữ được . Từ công thức có thể thấy điều
đó sẽ làm cho từ thống sẽ giảm xuống theo tỷ lệ nghịch với tần số tương đương với
trường hợp động cơ một chiều điều chỉnh giảm từ thông để tăng tốc.

Đem kết hợp hai trường hợp tần số thấp và cao hơn so với tần số cơ bản có thể được
đường đặc tính điều khiển của hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ .Nếu
động cơ ở những tốc độ khác nhau đều có dòng điện định mức thì động cơ có thể làm
việc lâu dài trong điều khiển nhiệt độ tăng lên cho phép, trong trường hợp tần số cao
hơn thì tương ứng với tần số tăng thì tốc độ qua tăng và từ thồn động cơ giảm. Như
vậy theo lý thuyết truyền động điện khi tần số thấp hơn tần số cơ bản, ta có momen
cho phép bằng hằng số . Còn khi tần số cao hơn tần số cơ bản ứng với trường hợp
công suất cho phép bằng hằng số.
15


Hình 1.7 :Đặc tính điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ

1.3.2 Các bộ biến tần kiểu tĩnh
Phương thức điều khiển vừa xem xét ở trên chứng tỏ, muốn đạt được yêu cầu điều tốc
bắt buộc phải thay đổi đồng thời điện áp nguồn và tần số. Trong khi đó hiện nay mạng
điện công nghiệp có đặc tính là tần số và fias trị hiệu dụng điện áp là hằng số, buộc
phải sử dụng thiết bị biến đổi tần số và điện áp, thường gọi là bộ biến đổi tần số hay
bộ biến tần (BT). Bộ biến tần ra đời sớm nhất là bộ biến tần máy điện sử dụng các
máy điện quay, mà ngày nay đã phải nhường chỗ cho thiết bị biến tần tĩnh ứng dụng
kỹ thuật điện tử công suất.
Về mặt cấu trúc mà nói, thiết bị biến tần kiểu tĩnh được chia thành hai loại là biến tần
trực tiếp và biến tần gián tiếp. Thiết bị biến tần gián tiếp trước tiên phải biến đổi điện
xoay chiều của mạng điện thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó lại qua bộ
nghịch lưu biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số và điện áp
điều chỉnh được, vì vậy còn được gọi là thiết bị biến tần gián tiếp có khâu một chiều
trung gian. Thiết bị biến tần trực tiếp có tần số và điện áp điều khiển được, không có
khâu một chiều trung gian. Hiện nay trên thực tế thiết bị biến tần gián tiếp được dùng
nhiều hơn.
1.3.2.1 Bộ biến tần trực tiếp (Cycloconveter)

Cấu trúc của các thiết bị biến tần trực tiếp như tên hình 1.9. Bộ biến đổi này chỉ dùng
một khâu biến đổi là có thể biến đổ nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không
đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến
16


đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp. còn được gọi
là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconveter)

Hình 1.8 : Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
Ưu điểm:
-

Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch theo điện
áp lưới.

-

Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất cao.

-

Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố.

-

Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.

Nhược điểm:
-

Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp.

-

Hệ số công suất thấp.

Tóm lại, với đây là loại biến tần kiểu cũ ít phổ biến và ít sử dụng , ta không dùng
loại biến tần này.

1.3.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp.
Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác nhau,
cấu trúc chung được mô tả ở hình 1.8. Về cơ bản có thể có ba khâu chính : Chỉnh
lưu,lọc và nghịch lưu. Nhờ có khâu trung gian một chiều mà khâu chỉnh lưu và nghịch
lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể được
điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào.

17


Hình 1.9 : Thiết bị biến tần gián tiếp
Tùy thuộc vào khâu trung gian một chiều mà phân ra biến tần nguồn dòng và biến tần
nguồn áp.
a) Biến tần nguồn dòng

Hình 1.10 : Biến tần nguồn dòng
Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng
nghịch lưu.

L0

, thực hiện chức năng nguồn dòng cho bộ

Ưu điểm:
-

Có khả năng trả năng lượng về lưới.

-

Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi.

-

Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW.

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 phụ tải nhất là khi có tải nhỏ.

Do đó, với những tải nhỏ thì biến tần nguồn dòng rõ ràng không phù hợp.

b) Biến tần nguồn áp:

18


Hình 1.11 : Biến tần nguồn áp
Khâu lọc trung gian một chiều là tụ
lưu.

C0

, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ nghịch

Ưu điểm:
-

Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30 kW

-

Hệ số công suất của mạch lớn ( gần bằng 1)

-

Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện cho tải quy
định..

-

Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, 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 mắc song song ngược với khâu chỉnh lưu ban
dầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4 góc phần tư.

Như vậy, đến đây, ta thống nhất chọn bộ biến đổi là biến tần nguồn áp. Phần
tiếp theo sẽ chọn phương pháp điều khiển cho loại biến tần này.
1.3.3 Bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)
Như trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều
chỉnh tỷ số điện áp tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì
việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu : điều chỉnh tần số ở
khâu nghịch lưu ,còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu,điều này đã kéo
theo một loạt vấn đề. Các vấn đề đó là :
a) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp.
b) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoắc điện kháng với quán
tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm
trễ.

19


c) Do bộ chỉnh lưu điều khiển làm cho hệ số công suất của ngồn điện cung cấp
giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của
hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn.

Hình 1.12 : Cấu trúc biến tần gián tiếp bằng tiristor thường sử dụng

20


Hình 1.13 : Cấu trúc biến tần gián tiếp với nghịch lưu PWM

d) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp ( dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo
ra nhiều song hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mômen biến động
khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt nghiêm trọng
là khi ở tốc độ thấp. Vì vậy các thiết bị biến tần do cá linh kiện điện tử công
suất dạng tiristor không thể đáp ứng được những yêu cầu đối với nhưng hệ
thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự xuất hiện các linh kiện điện tử công suất
điều khiển hoàn toàn (GTO,IGBT,…) cùng với sự phát triển cảu kỹ thuật vi
điện tử đã tọa ra được các điều kiện tốt để giải quyết được vấn đề này.
Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này về cơ bản đã giải quyết được vấn để tồn tại
trong bộ biến tần thông thường dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực
mới là hệ thống điều tốc dòng điện xoay chiều cận. Hình1.13 giới thiệu cấu trúc bộ
biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một
chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu không điều khiển, điện áp ra của
nó sau khi đi qua bộ lọc C hoặc L-C cho điện áp một chiều có trị số không đổi dùng để
cấp cho khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở công suất khâu nghịch lưu là các phần tử
điều khiển hoàn toàn và được điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nen trên đầu
ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phương pháp điều khiển
quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng –cắt ( mở -khóa) chính là phương
pháp điều chế độ rộng xung. Ở đây, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình
chữ nhật có thể điều chế giá trị biên độ áp của các xung hình chữ nhật có thể điều chế
giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu phối hợp
điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần.
Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình… là:
1. Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được , đơn giản hóa cấu

trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu
ra bộ nghịch lưu và gần tiến đến 1.

21


2. Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến
tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động
nhanh trạng thái động của hệ thống.
3. Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ được
sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ thể việc với điện áp biến thiên gần như hình
sin, biến động của momen khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ
của hệ thống truyền.
1.3.3.1 Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM
Khối nghịch lưu SPWM, là sơ đồ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều mà điện
áp đầu ra rất gần hình sin. Để thực hiện, có thể chia nửa chu kỳ hình sin N phần bằng
nhau, như trên hình (trong đó N=12) sau đó thay thế một phần đường cong hình sin
bằng một xung hình chữ nhật với chiều cong xác định và có diện tích bằng diện tích
bao bởi trục hoành và phần đường cong hình sin được thay thế ,trung điểm của xung
hình chữ nhật trùng với trọng tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin . Như vậy đồ
thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên độ nhưng khác nhau về chiều rộng đã
thay thế ( tương đương ) cho một nửa chu kỳ hình sin. Tương tự , ở các chu kỳ khác
của sóng hình sin cũng được thay thế theo phương pháp vậy.
Một loạt xung trên chính là đồ thị đầu ra của bộ nghịch lưu SPWM. Có thể thấy rằng
do biên độ bằng nhau của các xung nên khối nghịch lưu có thể cung cấp bởi nguồn
điện một chiều không đổi, tức là có thể dùng chỉnh lưu điot xung đầu ra khối nghịch
lưu không điều khiển.Giá trị biên độ của xung đầu ra khối nghịch lưu chính là điện áo
đầu ra của khối chỉnh lưu . Khi khối nghịch lưu làm việc ở trạng thái lý tưởng, tín hiệu
điều khiển sự mở khóa của van bán dẫn công suất tương ứng cũng sẽ có dạng là một
chuỗi xung tương tự như trên hình. Về mặt lý thuyết mà nói độ rộng của các xung này

có thể dùng phương pháp tính để tìm. Nhưng biện pháp thường dùng trong thực tế là
sử dụng phương pháp điều chế tương tự như trong kỹ thuật thông tin, đồ thị sóng
mong muốn ( ở đây là sóng hình sin) làm sóng điều chế , còn tín hiệu chịu sự điều
khiển của nó gọi là sóng mang. Trong nghịch lưu SPWM thường dùng sóng tam giác
cân làm sóng mang, bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có độ rộng trên
dưới đối xứng nhau, lúc nó giao với đường cong trơn bất kỳ, ở thời điểm giao ấy sẽ
bắt đầu xuất hiện hoắc mất tín hiệu điều khiển van bán dãn công suát, có nghĩa
rằng:đầu ra bộ điều chế nhận được chuỗi xung hình chữ nhật điều kheiern các van
tương tự như chuỗi xung trên hình đó chính là kết quả cần thiết của bộ PWM.
a, Nguyên lý làm việc
Hình là mạch điện chính của bộ biến tần SPWM, trong hình V V là 6 van công suất
điều khiển hoàn toàn có các điot song song ngược của khối nghịch lưu ( ở đây là
IGBT), khối nghịch lưu được cung cấp điện áp một chiều lấy từ đầu ra khối chỉnh lưu
điot mắc theo sơ đồ cầu 3 pha và lọc bằng tụ C. Hình.. là mạch điều khiển của nó,một
nhóm tín hiệu áp tham khảo hình sin( còn gọi là sóng điều chế-Modulating wave) ba
pha đối xứng do bộ phát các tín hiệu điều chế cung cấp , tần số của nó xác định tần số
22


đầu ra yêu cầu. Gía trị biên độ của tín hiệu điều chế cũng có thể thay đổi trong phạm
vi nhất định, nhằm xác điinh độ lớn của điện áp đầu ra. Tín hiệu sóng tải (sóng mangcarrier wave) dạng tam giác cân do mạch phát sóng với sóng tải, đầu ra mạch so sánh
là chuỗi các xung của SPWM được dùng làm tín hiệu điều khiển các van bán dẫn
công suất ba pha của khối nghịch lưu.

a)

b)

Hình 1.14 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện bộ nghịch lưu SPWM
a) Mạch lực ; b) Sơ đồ khối mạch khống chế

23


1.3.4 Điều chế véc tơ điện áp không gian.

U  t  ,U b  t  ,U c  t 
Hệ thống điện áp đặt lệch pha a
lệch nhau một phần bà chu kỳ dây
quấn pha đặt lệch nhau một phần bà vòng tròn tạo thành hệ thống điện áp không gian,
về mặt hình thức tồn tại một véctơ điện áp không gian với định nghĩa như sau:

�
Ua  t  �
�
�
Us  �
Ub  t  �
�
Uc  t  �
�
�
3
U s  U am
U
2
Trong đó độ dài
, với am là biên độ điện áp pha.
Căn cứ vào luật chuyển mạch và sơ đồ nối dây tương ưng có thể thấy rằng điện áp
không gian của hệ biến tần – động cơ , tại một thời điểm , sẽ chỉ lấy các giá trị gián

đoạn là một trong số tám véctơ:

U s  V1 / V2 / V3 / V4 / V5 / V6 / V0 / V7
Vị trí của các véctơ được mô tả bởi hình sao điện áp như hình .

Hình 1.15 : Hình sao điện áp của biến tần - động cơ

U

Để thỏa mãn các luật điều khiển khác nhau thì véctơ điện áp s phải có biên độ và vị
trí pha bất kỳ trong hình tròn giới hạn, tức là phải lấy các giá trị liên tục trong không
gian. Kỹ thuật điều chế véctơ điện áp không gian khác kỹ thuât SPWM ở chỗ nó
không sử dụng các bộ điều chế riêng rẽ mà véctơ điện áp mong muốn được hình thành
bởi tổ hợp chuyển mạch phức hợp.
24