Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4
GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ



Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:23.04.3898
Học viên: NGUYỄN THỊ THU NGA
Ngƣời HD Khoa học : TS. TRẦN XUÂN MINH







THÁI NGUYÊN - 2010


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ



NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4
GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ


NGUYỄN THỊ THU NGA

THÁI NGUYÊN - 2010






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thu Nga
Ngày tháng năm sinh: Ngày 11 tháng 11năm 1981
Nơi sinh: Lƣơng Sơn - Thái Nguyên
Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên
Chuyên ngành: Tự động hóa
Khóa học: K11- TĐH
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN
TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh
Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN





TS. Trần Xuân Minh
HỌC VIÊN





Nguyễn Thị Thu Nga

DUYỆT BAN GIÁM HIỆU

KHOA SAU ĐẠI HỌC


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4





LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc
liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào.

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
MỤC LỤC Trang
Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...….
Lời cam đoan ……………………………………........………………...…….
Mục lục …………………………………………….......……………...…......
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...………
Danh mục các bảng ……………………………………………..........………
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....………
Mở đầu…………………………………………………....….......…...……… 1
Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

3
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều …….....……..
3
1.1.1. Giới thiệu chung ………………………………………….............… 3

1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ …............ 4
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ …….....…....….. 5
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……..............………. 6
1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất …......……………..
8
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………........………….. 8
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp …………………………….........…………….. 10
1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ …………………......……………………….
16
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng …….........…………… 16
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………….............…………. 19
Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM 21
2.1.Khái quát về chỉnh lƣu PWM ..............................................................
21
2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần
tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ………………………......…….........………….

23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………......……….……….
26
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ………...………......……… 27
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha …..........…… 28
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  ..........
29
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q ….........… 30
2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM ………………….........………. 31

2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……...….....……..
32
2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ………………........……… 32
2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm …………………........……… 32
2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………...…..………..
34
2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ………...…………......…………. 35
2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo …………………....……….....……… 35
2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………..............……….
39
2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp 40
2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp
dựa vào dòng điện (VOC) ……………..........................................……………

40
2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC …………........….. 42
2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp
công suất DPC ……………….........………..........……………………………

43
2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp ……….........…………….. 45
2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ….........……………… 46
2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lƣu PWM ………………..............................………………………….........….

47
2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………........………………. 48
2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt..................................... 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………….........…………………… 51
Chƣơng 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ
CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

53
3.1. Giới thiệu chung động cơ đồng bộ ........................................................
53
3.1.1. Khái quát chung................................................................................... 53
3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu..................................... 54
3.2. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ.................................................
55
3.2.1. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ dây quấn.................. 55
3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC.............................. 59
3.3. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ .........
60
3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu .................................
60
3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc................................................ 60
3.3.1.2. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu.................... 63
3.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động .................................... 64
3.3.2.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển......................................................... 64
3.3.2.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu................................................... 65
3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu........................................................... 67
Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM ..................................
70
4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM........................... 70

4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM............................................. 72
4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ....................
73
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
4.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 78
4.3. Kết luận ......................................................................................................
82
Kết luận và kiến nghị ........................................................................................
83
Tài liệu tham khảo ............................................................................................
84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Góc pha của vector chuẩn

Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM

Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM

Góc pha giữa dòng điện và áp

Vận tốc góc

A
Từ thông stator pha A


B
Từ thông stator pha B

C
Từ thông stator pha C
x
*
Giá trị đặt
L


Vector từ thông ảo

L
Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

L
Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

Ld

Thành phần trục d của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q

Lq

Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
cos
Hệ số công suất cơ bản
C Tụ điện

ĐB Động cơ đồng bộ ba pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)
f Tần số
FOC Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control)
i(t), i Giá trị dòng điện tức thời
i
A
, i
B
, i
C
Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator
i
a
, i
b
, i
c
Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor
i
dc
Giá trị dòng điện một chiều
L
I

Vector dòng điện lƣới

i
La
,
b
,
c
Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM
i
L
Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ -
i
L
Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ -
i
Ld
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
i
Lq
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
i
d
Thành phần trục d của vector dòng stator động cơ
i
q
Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ
I Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ
j Đơn vị ảo
J Mô men quán tính
L

Giá trị điện cảm
M Mô men, mô men động cơ
M
c
Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)
M
đt
Mô men điện từ động cơ
M
đm
Mô men định mức
M
max
Mô men cực đại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
n
p
Số đôi cực từ của động cơ
P Công suất tác dụng
p(t), p Công suất tác dụng tức thời
PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)
q(t), q Công suất phản kháng tức thời
Q Công suất phản kháng
R Điện trở
s Toán tử Laplace
S Công suất biểu kiến
S

a
,S
b
,S
c
Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
t Giá trị thời gian tức thời
T Chu kỳ
L
U

Vector điện áp lƣới
u
L
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
u
L
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
u
Ld
Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
u
Lq
Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
s
U


Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM
u

s

Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ  - 
u
s

Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ  - 
u
sd

Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
u
sq

Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
toạ độ d - q
U
dc
Điện áp một chiều
V
a, b, c
Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ
VFOC

Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented
Control)
VOC Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented Control)
W, W
đt
Năng lƣợng, năng lƣợng điện từ
4Q Bốn góc phần tƣ (viết tắt của Four (4) Quater)

Danh mục các bảng
Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector 50
Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p, q theo U………………….……………...........…….. 51

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ...........……...... 8
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp …………………….....….......... 8
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin….……………………………..………………......................……………..

9
Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các
khâu trong biến tần trực tiếp…………………………………................................

10
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp………………………………………….......... 11
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều…………............. 12
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector……………………….........………….
15
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (

là chỉ số sóng hài).............

17
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R
h
trong mạch một chiều ….............. 18
Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều………..............................……... 18
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM……............… 23
Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM……........…….. 24
Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………............……….. 24
Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.......... 24
Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1
(nghịch lưu)……………………………………...............…………………………...

24
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn S
a
, S
b
, S
c
………………………………………..................................

25
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM .....….............…. 26

Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ

-


và d-q ………………………………………………......................……………..........

27
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha ... 28
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ

-

……….......….
30
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q……….........…. 31
Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ……………………........……... 32
Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM…………........….... 33
Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….......... 34
Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM…………………………………….................….........…………………………

36
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM …………………………………………….................……………

37
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………........………..... 38
Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM………………...…..... 39
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu

PWM với các phương pháp điều khiển ………………........................…….........

40
Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC …………....……..... 41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC……....................…………………………………………………………………

42
Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC.... 42
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……….....………..... 44
Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………..........……...... 45
Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector
L

…………………..…………......

46
Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ……………........………....... 48
Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………..………....... 49
Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC……....…….... 50
Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………...........……………………… 52
Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM ................... 54
Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM..................... 55
Hình 3.3: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………............ 61
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc biến đổi toạ độ động cơ đồng bộ................................ 62
Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB.............................. 64

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ đồng bộ ba pha................................................

65
Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC.......................... 66
Hình 3.8: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor..... 69
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC... 71
Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo
phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1............................

71
Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1.........................
72
Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC............ 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC.....................................................................................................................

72
Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn..................................................................

73
Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn.......................................................................

73

Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f

f
dm......................................
74
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ
vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC.................................................

75
Hình 4.10: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit............................................ 75
Hình 4.11: Triển khai chi tiết INVERTER.......................................................... 76
Hình 4.12: Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER............. 76
Hình 4.13: Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER.......... 76
Hình 4.14: Triển khai chi tiết khối SubSystem .................................................. 77
Hình 4.15: Triển khai chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem........... 77
Hình 4.16: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem .......... 77
Hình 4.17 Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem ................................. 78
Hình 4.18: Tốc độ động cơ khi khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc với tải
phản kháng bằng hằng số..................................................................................

78
Hình 4.19: Mô men động cơ khi khởi động, làm việc ổn định và điều chỉnh
giảm tốc với tải phản kháng (M
c
= 5Nm = const)..............................................

79
Hình 4..20: Dạng điện áp dây (u
AB
) trên động cơ khi giá trị đặt điện áp ra

chỉnh lưu PWM là 650V......................................................................................

79
Hình 4.21: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc
quá trình khởi động............................................................................................

80
Hình 4.22: Tốc độ động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng
(M
c
=-5Nm,

đặt
=312rad/s), giả thiết chiều quay theo chiều tác động của mô
men tải (góc phần tư thứ tư)..............................................................................


81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
Hình 4.23: Điện áp và dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM trong giai đoạn
khởi động và khi vào làm ổn định việc với tải thế năng ...................................

81
Hình 4.24: Mô men động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế
năng (M
c
=-5Nm,


đặt
=312rad/s) .......................................................................

82


















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
MỞ ĐẦU
Trong những năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện tử công suất đã dẫn
tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ truyền động điện xoay chiều và nó dần thay thế một
phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều. Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ

động cơ xoay chiều bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều
ƣu điểm so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều.
Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay
chiều thƣờng sử dụng bộ chỉnh lƣu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lƣợng về
lƣới. Vấn đề hãm trong các hệ truyền động nhƣ vậy đƣợc thực hiện bởi việc sử dụng điện
trở tiêu tán năng lƣợng. Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thƣờng
làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lƣợng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn.
Để tiết kiệm năng lƣợng, tăng chất lƣợng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo
cho phép động cơ làm việc đƣợc ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái
sinh. Biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần 4 góc phần tƣ (biến tần 4Q).
Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trƣởng Khoa Điện
Trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận
văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tƣ - Động cơ
đồng bộ”.
Kết cấu của luận văn gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều.
Chƣơng 2: Nghiên cứu về chỉnh lƣu PWM.
Chƣơng 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lƣu và cấu trúc hệ truyền động
biến tần 4Q - động cơ đồng bộ.
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống.
Kết luận và kiến nghị.
Đề tài đã đƣợc hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ
động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cám ơn
sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh, ngƣời đã luôn quan tâm động viên,
khích lệ và tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Các vấn đề đƣợc đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi
thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn
đồng nghiệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
Xin trân trọng cảm ơn!










Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2010
Tác giả


Nguyễn Thị Thu Nga

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất ngƣời ta sử dụng các động
cơ làm cơ cấu chấp hành. Trƣớc đây, các hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất

lƣợng điều chỉnh tốc độ, thƣờng dùng động cơ điện một chiều. Tuy nhiên loại động cơ này
có nhiều nhƣợc điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phƣơng án điều chỉnh tốc độ
động cơ xoay chiều đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng nhƣng còn hạn chế. Đến
thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các
nƣớc công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu con đƣờng tiết kiệm nguồn
năng lƣợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hƣớng nghiên cứu ấy đã đạt
đƣợc thành tựu lớn, và đã đƣợc coi là bƣớc đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay
chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày
một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lƣu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. Hiện nay, với
khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ
biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều đã trở thành một đối tƣợng điều
khiển có ƣu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều
nhƣ một đối tƣợng thân thiện có nhiều ƣu điểm vƣợt trội.
Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng
bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ
rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thƣờng là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam
châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm nhất định và
các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau.
1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phƣơng pháp, chẳng
hạn nhƣ : (1) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động
cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng bộ ly hợp trƣợt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ
bằng phƣơng pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng
bộ rotor dây quấn; (4) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp nối cấp động cơ không đồng bộ

rotor dây quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh tốc
độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phƣơng pháp biến tần); v.v...
Dựa vào nguyên lý cơ bản của động cơ điện không đồng bộ, công suất điện từ P
m
từ stato
truyền cho rôto đƣợc chia thành hai bộ phận: bộ phận thứ nhất P
2
=(1-s)P
m
là công suất hữu
ích dẫn động phụ tải, còn bộ phận thứ hai là công suất trƣợt P
s
=sP
m
tỷ lệ thuận với hệ số
trƣợt. Từ góc độ chuyển đổi năng lƣợng mà xét, công suất trƣợt là tăng lên hay giảm xuống
là phản ánh năng lƣợng bị tiêu hao đi hay là thu hồi lại đƣợc, và trở thành một chỉ tiêu
đánh giá mức độ cao thấp về hiệu suất của hệ thống. Xuất phát từ điểm này, có thể chia hệ
thống điều tốc động cơ không đồng bộ thành ba loại lớn :
1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển thành
nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại
này. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công
suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống
thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó
vẫn đƣợc dùng trong một số trƣờng hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục.
2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao đi,
phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả về lƣới điện xoay chiều
hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càng
thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc
loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc

tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu nên lại phải tiêu
hao một phần công suất.
3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không
tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu
nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phƣơng pháp điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
tốc thay đổi số đôi cực và phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại này. Phƣơng pháp điều
tốc thay đổi số đôi cực là phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng.
Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn
với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng đƣợc các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều có chất lƣợng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và
do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có
phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất
lớn (hàng MW).
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay đƣợc sử dụng rộng
rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW( ví dụ : Động cơ kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử dụng trong các hệ thống
chính xác nhƣ điều khiển các chuyển động của Rôbốt. Động cơ đồng bộ kích từ
băng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất lớn, đƣợc sử dụng trong
các hệ thống truyền động nhƣ : máy bơm, quạt gió, máy nén khí, truyền động cho lò
trong sản xuất xi măng..) .ở giải công suất cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ƣu thế.
Bởi vì động cơ đồng bộ vừa có những ƣu điểm của động cơ một chiều vừa có những
ƣu điểm của động cơ không đồng bộ.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức:

p

f
s
S


2

(1-1)
Trong đó:
f
s
- tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato ( mạch phần ứng)
p- Số đôi cực.

s
- tần số đồng bộ, cũng là tần số quay của rôto.
Vì vậy phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ là thay đổi tần số nguồn.Đối với động cơ
điện đồng bộ chủ yếu dùng kiểu điều tốc biến tần. Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động
cơ đồng bộ có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi chu kỳ
sóng( bộ biến tần xoay chiều-xoay chiều) hoặc bộ biến tần SPWM.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ đồng bộ đƣợc phân thành hai nhóm lớn là
biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển. Thiết bị biến tần độc lập tạo cho động
cơ đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển
ngoài, thiết bị dùng bộ đo kiểm vị trí roto trên trục động cơ để điều khiển phát xung gọi là
hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển.
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều cái cần để điều khiển là
điện áp( hoặc dòng điện) và tần số, làm thế nào để thông qua điện áp ( hoặc dòng điện) và
tần số để điều khiển đƣợc mô men ? Đó là vấn đề đầu tiên phải giải quyết khi săn đuổi, tìm
tòi hệ thống điều tốc biến tần có chất lƣợng cao. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào
phạm vi công suất truyền động, vào hƣớng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phƣơng
pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần đƣợc chia làm hai nhóm:
các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một
chiều. Trƣớc đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lƣợng điện áp đầu ra
thấp nên thƣờng dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất đƣợc đặt lên hàng
đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng
pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp ra cao, giảm ảnh hƣởng xấu
đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng đƣợc mở rộng. Đƣợc ứng dụng nhiều
nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần
loại này có thể khống chế theo các phƣơng pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung
(PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui
luật U
1
/
1
= const dễ thực hiện nhất, đƣờng đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh
tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thƣờng,
nhƣng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hƣởng
đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch
stator. Điều khiển E
s
/
1
= const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U
1

/
1
=
const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (
m
=
const), từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhƣng đƣờng đặc tính
của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
Hệ thống truyền động điều khiển E
r
/
1
= const có thể nhận đƣợc đƣờng đặc tính cơ
tuyến tính giống nhƣ ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện
điều tốc với chất lƣợng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor 
rm
=
const để tiến hành điều khiển có thể nhận đƣợc E
r
/
1
= const. Trong trạng thái ổn định và
trạng thái động đều có thể duy trì E
r
/
1

= const là mục đích của điều tốc biến tần điều
khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ
2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động cơ không đồng
bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và
“Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A.
Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình
thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ
biến.
1.2. SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Cấu trúc của thiết bị
biến tần trực tiếp nhƣ trên
hình 1.1 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 đƣợc. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi là
bộ biến tần trực tiếp, còn đƣợc gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc song
song ngƣợc hai sơ đồ chỉnh lƣu
tiristor (hình 1.2). Hai sơ đồ
chỉnh lƣu thuận ngƣợc lần lƣợt
đƣợc điều khiển làm việc theo
chu kỳ nhất định. Trên phụ tải
AC AC
~ 3
U
1

, f
1
Biến tần
xoay chiều -
xoay chiều
~ 3
U
2
, f
2
Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp
(xoay chiều - xoay chiều)
Sơ đồ chỉnh
lƣu thuận
 3
f
1
, U
1






Tải
Sơ đồ chỉnh
lƣu ngƣợc
 3
f

1
, U
1

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
sẽ nhận đƣợc điện áp ra xoay chiều u
t
. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển , còn
tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ
đồ chỉnh lƣu mắc song song ngƣợc. Nếu góc điều khiển  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 đƣợc
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 lƣu 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  từ
/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  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh
lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi /2  0 
/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 1.3. Trong đó, tại điểm A
có  = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc  tăng
dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  = /2 điện áp trung bình
là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt.
Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tƣơng tự nhƣ thế.
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 ngƣợc,
điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120
0
. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh
lƣu 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 tiristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi,
nhƣng số lƣợng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thƣớc tổng tăng lên rất lớn. Do những
thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thƣờng dùng trong hệ
thống điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc
=/2

=0
=/2
=/2
Điện áp đầu ra Điện áp trung bình đầu ra
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay
chiều-xoay chiều hình sin

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với
các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt. Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện
áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng,
vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vƣợt quá 1/3  1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số

pha chỉnh lƣu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc
bình thƣờng của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số
đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn
cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất
lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng,
.... những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp
có thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song mới
thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhƣợc điểm là
số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lƣợng điện áp ra thấp,
nhƣng có ƣu 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 1.4) 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
dƣơng, biến tần lấy công suất từ lƣới 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 lƣới.
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có
ƣu điểm là có thể thiết kế với
một công suất khá lớn ở đầu ra
và hiệu suất cao, nhƣng có một
số nhƣợc điểm sau:
+ Chỉ có tạo ra điện áp
xoay chiều đầu ra với tần số thấp
hơn tần số điện áp lƣới.
Sơ đồ
chỉnh
ngƣợc
ở chế
độ

nghịch
lƣu
u
Sơ đồ chỉnh
thuận ở chế
độ chỉnh lƣu
Sơ đồ
chỉnh
thuận ở
chế độ
nghịch
lƣu
Sơ đồ chỉnh
ngƣợc ở chế
độ chỉnh lƣu
i
Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế
độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp
t
u, i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25
+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá
lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác đƣợc đƣa ra để nâng cao
chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp. Bộ biến

tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhƣợc điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên.
Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác nhau,
cấu trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình 1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu chính: Chỉnh lƣu, lọc
và nghịch lƣu. Phụ thuộc vào việc
điều chỉnh điện áp đầu ra mà có
thể có ba dạng sau: Bộ biến tần
dùng chỉnh lƣu có điều khiển, bộ
biến tần dùng chỉnh lƣu không
điều khiển nhƣng thêm bộ biến đổi
xung áp một chiều, bộ biến tần
dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực hiện điều chế độ rộng xung (PWM).
A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển.
Bộ biến tần này có cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc
biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu lọc
có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu, khối
nghịch lƣu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U
2

đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc điều chỉnh tần số
tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc phối hợp trên cùng một
mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhƣng do
khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển
tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc
dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor
nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thƣờng có biên độ khá lớn. Đây là
nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này.

f
1
,U

1
+
=

C
0

U
d

-
=

Chỉnh lƣu
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp

Lọc Ngịch lƣu
f
2
,U
2