Thiết kế bộ biến tần ba pha theo phương pháp SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................vi
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ HÌNH VẼ…………………………………………....vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN......................................5
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG.......................................................................................5
1.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN..................................................................................6
1.2.1. Biến tần trực tiếp.........................................................................................6
1.2.2. Biến tần gián tiếp........................................................................................8
1.3. CÁC KHỐI TRONG BIẾN TẦN GIÁN TIẾP.................................................10
1.3.1. Khối chỉnh lưu...........................................................................................11
1.3.2. Khối lọc.....................................................................................................13
1.3.3. Khối nghịch lưu.........................................................................................14
1.3.4. Điều biến độ rộng xung (Khối băm)..........................................................15
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................16
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM VÀ
ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431.........................................................17
2.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM...........................17
2.1.1. Các công thức tính toán.............................................................................19
2.1.2. Cách thức điều khiển.................................................................................20
2.1.3. Quy trình tính toán....................................................................................22
2.1.4. Hiệu quả của phương pháp điều khiển......................................................27
2.2. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431............................................28
2.2.1. Tổng quan về vi điều khiển PIC [5]...........................................................28
2.2.2. Giới thiệu khái quát về cấu trúc phần cứng..............................................30
2.2.3. Khái quát về các thanh ghi........................................................................37

1

2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG.................................................................................53
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 3 PHA..............................54
Bảng 3.1. Thông số động cơ....................................................................................54
3.1. CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ PHẦN CỨNG............................................54
3.1.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển................................................................54
3.1.2. Giới thiệu chi tiết các khối điều khiển.......................................................55
3.2. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.........................................................................61
3.2.1. Sơ đồ mạch lái và cách ly..........................................................................61
3.2.2. Sơ đồ mạch động lực.................................................................................62
3.2.3. Sơ đồ mạch điều khiển..............................................................................63
3.3. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN.............................................63
3.3.1. Sơ đồ khối giải thuật.................................................................................63
3.3.2. Sơ đồ giải thuật chương trình....................................................................64
3.3.3. Kết quả khảo sát........................................................................................67
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................72
I. KẾT LUẬN........................................................................................................72
II. KIẾN NGHỊ......................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................73
PHỤ LỤC................................................................................................................ 74

2


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
AD

Fcy

Frequency

Fosc
I/O

Oscillator Frequency
Input/Output

NGHĨA TIẾNGVIỆT
Tương tự sang số
Bộ chuyển đổi tuần tự sang
số
Tần số hoạt động trong vi
điều khiển
Tần số dao động
Ngõ vào, ngõ ra

MCU

Micro Controller Unit

Vi điều khiển

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

ADC

SINPWM
T
AC
DC
A
V
P
W
PIC

TIẾNG ANH
Analog to Digital
Analog To Digital Conversion

Sin Pulse Width Modulation
Timer
Alternating Current
Direct Current
Amper
Volt
Power
Watt

Điều rộng xung sin
Bộ định thời
Điện xoay chiều
Điện một chiều

Giá trị cường độ dòng điện
Gía trị điện áp
Công suất
Đơn vị công suất
Máy tính thông minh khả
Programable Intelligent Computer
trình

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số động cơ....................................................................................52
Bảng 3.2. Bảng định nghĩa các chân của IC TLP250..............................................54
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của IC TLP250...........................................................55

3


Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của IGBT-FGA25N120..............................................57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Biến tần SIEMENS...................................................................................5

4


Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp....................................................6
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp........................................................6
Hình 1.4. Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình
sin.............................................................................................................................. 7
Hình 1.5. Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu
trong biến tần trực tiếp..............................................................................................8

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp....................................................9
Hình 1.7. Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu áp............................................................9
Hình 1.8. Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng......................................................10
Hình 1.9. Cấu trúc của một biến tần........................................................................10
Hình 1.10. Các sơ đồ mạch chỉnh lưu......................................................................12
Hình 1.11. Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu............................................12
Hình 1.12. Sơ đồ mạch lọc......................................................................................13
Hình 1.13. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha....................................................................14
Hình 1.14. Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo thời gian.................15
Hình 1.15. Điều biến độ rộng xung đơn cực............................................................16
Hình 1.16. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực.........................................................16
Hình 2.1. Nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng SIN 1 pha........................17
Hình 2.2. Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu.............................................18
Hình 2.3. Nguyên lý của phương pháp điều rộng xung SIN 3 pha và dạng sóng điện
áp ngõ ra.................................................................................................................. 18
Hình 2.4. Quá trình hoạt động của bộ biến đổi........................................................21
Hình 2.5. Giản đồ miêu tả hoạt động của bộ PWM khi thay đổi giá trị thanh ghi so
sánh......................................................................................................................... 24
Hình 2.6. Giản đồ thời gian miêu tả hoạt động bộ PWMMDB8..............................25
Hình 2.7. Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu.............................................28
Hình 2.8. Sơ đồ chân của PIC 18F4431..................................................................30
Hình 2.9. Cấu trúc bên trong của vi điều khiển PIC 18F4431.................................31
Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bên trong một I/O............................................................37

5


Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo tổng quan của các I/O Port trong MCU...........................39
Hình 2.12. Sơ đồ khối của module PWM.............................................................41
Hình 2.13. Sơ đồ khối modul PWM time base.......................................................43

Hình 2.14. Giản đồ thời gian ngắt của module PWM với kiểu chạy tự do..............44
Hình 2.15. PWM với kiểu Single-Shot....................................................................45
Hình 2.16. PWM với Kiểu đếm lên /xuống.............................................................46
Hình 2.17 . Bộ đếm tỉ lệ trong module PWM..........................................................47
Hình 2.18. Cập nhật giái trị PWM ở chế độ tự do, chế độ đếm lên –xuống.............48
Hình 2.19. Chế độ dutycycle trong thanh ghi của module PWM.............................49
Hình 2.20. Xung PWM dạng edge-aligned.............................................................49
Hình 2.21. Cập nhật giá trị PWM trong chế độ đếm lên xuống..............................50
Hình 2.22. Cập nhật giá trị PWM trong chế độ cập nhật kép..................................50
Hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc của bộ tạo thời gian dead time........................................51
Hình 2.24. Sơ đồ cấu trúc của bộ A/D.....................................................................52
Hình 2.25. Cặp thanh ghi kết quả: ADRESH và ADRESL......................................53
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển dùng mosfet..................................................................55
Hình 3.2. Sơ đồ khối của IC TLP250......................................................................56
Hình 3.3: Hình dáng IC TLP250............................................................................57
Hình 3.4. Sơ đồ ký hiệu của MOSFET và IGBT.....................................................57
Hình 3.5. Hình dạng và ký hiệu của IGBT- FGA25N120........................................58
Hình 3.6. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha IGBT..................................................................59
Hình 3.7. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha........................................................................60
Hình 3.8. Sơ đồ mạch lái và cách ly........................................................................61
Hình 3.9. Sơ đồ mạch động lực...............................................................................62
Hình 3.10. Sơ đồ khối mạch điều khiển...................................................................63
Hình 3.11. Sơ đồ khối điều khiển chính...................................................................62
Hình 3.12. Sơ đồ khối hiển thị.................................................................................63
Hình 3.13. Sơ đồ khối nút bấm................................................................................63
Hình 3.14. Mạch lái và cách ly................................................................................67

6

Hình 3.15. Mạch điều khiển....................................................................................68
Hình 3.16. Mạch động lực.......................................................................................68
Hình 3.17. Xung điều khiển.....................................................................................69
Hình 3.18. Xung điện áp ngõ ra...............................................................................70
Hình 3.19. Màn hỉnh hiển thị thông số....................................................................70

7


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cùng với sự phát triển của điện khí hóa và tự động hóa, động cơ không đồng
bộ với những ưu điểm như giá thành thấp, không cần bảo trì thường xuyên, khả
năng làm việc cao nên được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp
và trong đời sống hàng ngày.
Hiện nay điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần theo
phương pháp SINPWM đã và đang là giải pháp thông dụng trong các hệ thống
truyền động điện hiện đại ngày nay. Nó dần dần thay thế các hệ truyền động dùng
động cơ một chiều với giá thành cao và độ tin cậy thấp. Cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi xử lý đặc biệt là phương pháp điều
chế độ rộng xung để điều khiển các tín hiệu điện áp ra gần giống sin giúp cho các
động cơ làm việc ổn định hơn kể cả khi có tín hiệu nhiễu trong công nghiệp.
Với nhận thức trên, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế bộ biến tần ba pha theo
phương pháp SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC” làm luận văn tốt nghiệp của
mình nhằm tìm hiểu các phương pháp điều khiển biến tần nguồn áp cung cấp cho
động cơ theo phương pháp điều chế SINPWM, nghiên cứu giải thuật và viết chương
trình để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp SINPWM.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều
khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng

như đánh giá các phương pháp điều khiển thì việc điều khiển tốc độ động cơ bằng
các thiết bị khởi động mềm đang được sử dụng rất nhiều trong thực tế như: phương
pháp điều khiển U/f, phương pháp điều chế SINPWM, phương pháp điều chế vector
không gian, …
Điều khiển động cơ sử dụng biến tần bằng hai phương pháp đó là điều khiển
gián tiếp và điều khiển trực tiếp [1,4]. Tuy nhiên trong luận văn này tác giả đi sâu
vào nghiên cứu điều khiển động cơ bằng bộ biến tần gián tiếp nó đã trở thành một
phương thức điều khiển phổ biến và có tính ứng dụng cao trong thực tế.

1


Kỹ thuật điều chế độ rộng xung SINPWM đã và đang được áp dụng rất phổ
biến trong công nghiệp để tạo ra điện áp xoay chiều dạng sin mà biên độ không thay
đổi cho dù có các hiện tượng nhiễu tín hiệu điện áp trong công nghiệp. Trong thực
tế có nhiều cách có thể điều chế được độ rộng xung SINPWM như: Lắp ráp các
mạch điện phần cứng sử dụng các IC số… Hiện nay điều chế độ rộng xung
SINPWM được sử dụng với phương pháp lập trình các chíp vi điều khiển được sử
dụng rộng rãi và phổ biến với dòng PIC 18F4431 là loại mà được Microchip sản
xuất dùng để chuyên điều khiển các loại động cơ 1 chiều, 1 pha, 3 pha với độ phân
giải lên đến 10 bit và có 3 module PWM [6,7].
Vấn đề điều chỉnh tần số đầu ra cho bộ biến đổi kết hợp với các thông số
điện áp đầu ra được nghiên cứu trong luận văn này theo phương pháp điều chế độ
rộng xung SINPWM để điều khiển phần tử nghịch lưu sử dụng các IGBT [8]. Khâu
bảo vệ cho thiệt bị vẫn là vấn đề mà cần phải được tiếp tục phát triển và nghiên cứu
tiếp.
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG VÀ
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Mục đích của luận văn là nghiên cứu phương pháp điều khiển thay đổi tần
số, điện áp đầu ra của bộ biến đổi dựa trên thuật toán điều khiển điều chế độ rộng

xung SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC. Mặt khác tác giả nghiên cứu phân tích
và xây dựng mô hình khối nghịch lưu của bộ biến tần cụ thể :
-

Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần ba pha theo phương pháp điều chế
SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC.

-

Tìm hiểu các chức năng của modul PWM sử dụng trong vi điều khiển PIC
18F4431

- Khảo sát nguyên tắc đóng cắt các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu .
- Kiểm tra, đánh giá dạng sóng điện áp ngõ ra.
- Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình điều khiển, làm sản phẩm thực tế
để phục vụ vào quá trình điều khiển tốc độ quay của động cơ trong quá trình sản
xuất cũng như áp dụng vào quá trình giảng dạy trong các trường dạy nghề giúp sinh
viên tiếp cận tốt hơn với yêu cầu thực tế.

2


4. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI
Luận văn của tôi được chia làm 3 chương:
Chương 1. Giới thiệu tổng quan về biến tần
Phân tích các cơ sở lý thuyết của các loại biến tần và các phương thức điều
khiển, các khối dùng trong biến tần, các dạng sóng của các sơ đồ điều khiển bởi các
khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu, các phương pháp điều biên độ rộng xung.
Chương 2. Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng vi
điều khiển PIC 18F4431

+ Tìm hiểu về phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng vi
điều khiển PIC
+ Cách thức điều khiển để điều chế độ rộng xung theo phương pháp PWM sử
dụng vi điều khiển PIC
+ Nghiên cứu cấu trúc của vi điều khiển PIC, các chế độ làm việc của các
thanh ghi và các module có bản của vi điều khiển PIC 18F4431 đặc biệt là module
PWM và các module chức năng được ứng dụng trong chương trình thuật toán lập
trình điều khiển.
Chương 3. Thiết kế bộ biến tần nguồn áp 3 pha
Để xây dựng cấu trúc phần cứng của mạch điện ta cần:
+ Nêu được yêu cầu các mạch lái và cách ly IGBT hoặc MOSFET để lựa
chọn được linh kiện phù hợp.
+ Tra thông số kỹ thuật của các IGBT để lựa chon cho phù hợp đảm bảo theo
yêu cầu
+ Sau khi đưa ra được cơ sở lý thuyết, sẽ tiến hành vẽ mạch nguyên lý, mạch
in, gia công mạch và thực hiện lắp ráp các mạch theo sơ đồ nguyên lý.
+ Khi có phần cứng hoàn chỉnh ta tiến hành xây dựng giải thuật chương
trình, lập trình cho vi điều khiển PIC bằng phần mềm CCS hoặc C… và tiến hành
hiệu chỉnh các thông số cho phù hợp với yêu cầu đặt ra.
+ Sau khi lập trình xong ta tiến hành nạp chương trình và cấp nguồn, sử dụng
các dụng cụ đo như đồng hồ vạn năng, máy hiện sóng để đo các thông số như điện

3


áp đầu ra, dạng sóng, xung điều khiển PWM, sóng điện áp khi không có tải và khi
có tải.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết à khảo sát nguyên tắc đống cắt của các khóa bán dẫn
và phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC à vẽ

mạch điện, lập trình mô phỏng bằng phần mềm à lắp ráp phần cứng, phân tích và
đánh giá các kết quả àKết luận và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG

4


Hình 1.1. Biến tần SIEMENS

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 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 cực tính điều
chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển
bằng điện tử.
Khảo sát thực tế cho thấy:
+ Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển
mômen.
+ Trong các bộ điều khiển mômen động cơ chiếm 55% là các
ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều
hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ
yếu là trong công nghiệp nặng.
Trước kia khi công nghệ bán dẫn chưa phát triển, người ta sử

dụng chủ yếu các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính
của các thiết bị chính 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 công suất 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, bảo trì cũng như thay mới

5


+ Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ
bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hòa từ của lõi thép
máy biến áp
1.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN
Biến tần thường được chia làm hai loại:
+ Biến tần trực tiếp
+ Biến tần gián tiếp
1.2.1. Biến tần trực tiếp

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc của bộ 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 1tần này hiện nay ít sử dụng.
Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.2. Bộ
biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi 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 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 (Cycloconverter).

6


Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo
bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor
(hình 1.3). Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận nghịch lần lượt được điều
khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ nhận được
điện áp ra xoay chiều U1. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều
khiển α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá
trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song
song ngược. Nếu góc điều khiển α không thay đổi thì điện áp trung
bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu
ra. Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần
phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh
lưu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra);
chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay
đổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện áp trung bình bằng
không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau
đó lại tăng dần α từ 0 lên tới π /2 thì điện áp trung bình đầu ra của
sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc α
thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp biến đổi theo quy
luật gần hình sin, như trên hình 1.4. Trong đó, tại điểm A có α = 0,

điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E
góc α tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến
điểm F với α = π/2 điện áp trung bình là 0.

7


Hình 1.4. Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay
chiều-xoay chiều hình sin [1]

Hình 1.5. Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm
việc
của các khâu trong biến tần trực tiếp [1].

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng
dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung
bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200. Như vậy, nếu mỗi một sơ
đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha
sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một
tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18

8


tiristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ
dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất
nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn.
Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng
phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượng
điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các

bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất
hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất
đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.5) ta thấy công suất
tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng
ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần lấy
công suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có
tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến
đổi cung cấp lại công suất cho lưới.
1.2.2. Biến tần gián tiếp
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần qua một khâu trung gian một
chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp.
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phân
làm hai loại:
+ Biến tần dùng nghịch lưu áp
+ Biến tần dùng nghịch lưu dòng

9


a. Biến tần dùng nghịch lưu áp

Hình
1.7.
Sơ
đồ
biến

tần
dùng nghịch lưu áp [4]

Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện
áp đặt vào bộ nghịch lưu như nguồn áp, cùng với điện cảm L tụ C
làm phẳng điện áp chỉnh lưu.
Ngoài ra tụ C còn nhiệm vụ trao đổi công suất phản kháng Q
giữa tải với bộ nghịch lưu và mạch một chiều, bằng cách cho phép
sự thay đổi nhưng trong thời gian ngăn dòng vào bộ nghịch lưu mà
không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu.
Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biến độ
rộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng
diode)
Do tác dụng của diode ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu
luôn luôn
dương. Đối với loại này thì yêu cầu của bộ biến tần là năng lượng
được truyền tải hai chiều tức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì
bộ chỉnh lưu làm việc được cả bốn góc phần tư.
b. Biến tần dùng nghịch lưu dòng:

10


M

Hình 1.8. Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng [4]

Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng như
nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưu. Dòng điện trong mạch một
chiều được san phẳng bởi L, dòng điện này không thể đảo chiều.

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều công
suất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này
cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụ
thuộc vào bộ chỉnh lưu.
1.3. CÁC KHỐI TRONG BIẾN TẦN GIÁN TIẾP

Hình 1.9. Cấu trúc của một biến

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ
chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một
chiều.

11


Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh
lưu
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành
điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một
chiều được biến thành xoay chiều nhờ vào việc mở hoặc khóa các
van công suất theo một quy luật nhất định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một
quy luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ
nghịch lưu. Ngoài ra còn có một số chức năng sau:
+ Theo dõi sự cố lúc vận hành
+ Xử lý thông tin người sử dụng
+ Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm
+ Xác định đặc tính – mômen tốc độ
+ Xử lý thông tin từ mạch thu thập dữ liệu
+ Kết nối với máy tính.....

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực
tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có
nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo
vệ mạch điều khiển.
Màn hình hiển thị có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống
như: tần số, dòng điện, điện áp..., để người sử dụng có thể đặt lại
hệ thống số cho hệ thống.
Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ
biến đổi chúng thành những tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển
có thể xử lý. Ngoài ra còn có các mạch bảo vệ khác như bảo vệ
chống quá áp hay thấp áp ở đầu vào.
Các mạch điều khiển, thu thập dữ liệu đều cần cấp nguồn,
các nguồn này thường là điện áp một chiều 5V, 12V, 15VDC yêu

12


cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn
điện thích hợp đó.
1.3.1. Khối chỉnh lưu
Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều
thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là có điều chỉnh hoặc
không điều chỉnh. Trong các bộ biến đổi công suất lớn người ta
thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ
bảo vệ cho hệ thống khi quá tải. Tùy theo tâng nghịch lưu yêu cầu
nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay
điện áp tương đối ổn định.
Đối với mạch chỉnh lưu có các cách mắc như sau:

Sơ đồ hình tia một pha

Sơ đồ hình cầu một pha

Sơ đồ hình cầu ba pha

Sơ đồ hình tia ba pha

Hình 1.10. Các sơ đồ mạch chỉnh lưu [4]

Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp DC nào
cho phù hợp, dạng sóng điện áp ra như sau:

13


Hình 1.11. Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu [4]

Đối với chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ: Ta thấy dạng sóng ra
nhấp nhô, do đó muốn ít nhấp nhô cần phải có bộ lọc tốt.
Đối với chỉnh lưu cầu một pha: Dạng sóng ra đỡ nhấp nhô
hơn chỉnh hình tia một pha, do đó vận hành sẽ kinh tế hơn.
Đối với chỉnh lưu hình tia ba pha: Dạng sóng điện áp ra ít
nhấp nhô hơn chỉnh lưu một pha.
Đối với chỉnh lưu cầu ba pha: cho điện áp và dòng chỉnh lưu
tốt hơn so với chỉnh lưu ba pha hình tia. Giá trị trung bình của điện
áp ra đối với sơ đồ hình cầu như sau:
1.3.2. Khối lọc
Có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau khi chỉnh lưu

14

Hình 1.12. Sơ đồ mạch lọc [3]

Mạch lọc được dùng cả tụ điện C và điện kháng L dẫn đến
biên độ sóng hài được giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đập mạch
hơn. Vì vậy bộ lọc LC thường được sử dụng nhiều nhất.
1.3.3. Khối nghịch lưu
Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng điện một
chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm
việc với phụ tải độc lập. Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:
+ Nghịch lưu nguồn áp: Trong dạng này, dạng điện áp ra tải
được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng
dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp
phải là nguồn suất điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng
điều khiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu áp.

Hình 1.13. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha [1]

Các transistor mở lần lượt T1 ÷ T6 với góc lệch pha giữa các
transistor là 600. Như vậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba
transistor dẫn (hai của nhóm này và một của nhóm kia) cho dòng
chảy qua.
Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với hai
pha đấu song song, do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc
Ed/3 (khi pha đó đấu song song với một pha khác) hoặc 2E d/3 (khi

15

nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song). Giả thiết tải đối
xứng ZA = ZB = ZC theo dạng điện áp ra có trị số hiệu dụng của nó.
Ta có biểu đồ điện áp ra của tải theo thời gian như hình 1.14
+ Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng
điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào
tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một
chiều ổn định. Vì vậy nếu nguồn là suất điện động thì phải có điện
cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc
điều khiển ổn định dòng điện.
+ Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng
hưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện hoặc điện áp
thường có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra phụ thuộc vào
tính chất tải.

16


Hình 1.14. Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo
thời gian [3]

1.3.4. Điều biến độ rộng xung (Khối băm)
Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điều
chỉnh được điện áp ra vừa giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng
hài bậc cao. Để xác định khoảng cách xung chùm điều khiển các
van, ta tạo ra các sóng dạng sin U f có tần số bằng tần số mong
muốn gọi là sóng điều biên. Dùng một khâu so sánh là U r và Up,
các giao điểm của các sóng hài này xác định khoảng phát xung.

17

Tỷ số giữa biên độ sóng điều biên và biên độ sóng mang là tỷ
số

điều

biên:

M

=

Ar/Ap

(1.6)
Để điều chỉnh độ rộng xung tức là điều chỉnh điện áp ra trên
tải ta điều chỉnh

Ar. Điều biến độ rộng xung được chia thành hai

loại:
a. Điều biến độ rộng xung đơn cực
Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có
trị số 0 và E

Hình 1.15. Điều biến độ rộng xung đơn cực [4]

b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực
Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau và
có

trị
số là
±E

Hình 1.16. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực [4]

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Như vậy trong nội dung chương 1 đã phân tích các cơ sở lý thuyết của các loại
biến tần và các phương thức điều khiển, các khối dùng trong biến tần, các dạng

18