Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư

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


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT




NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ



Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên: BÙI THỊ THANH HUYỀN
Người hướng dẫn khoa học: TS.TRẦN XUÂN MINH

DUYỆT BAN GIÁM
HIỆU






KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG
DẪN





HỌC VIÊN






Ts. Trần Xuân Minh Bùi Thị Thanh Huyền

THÁI NGUYÊN - 2009

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

2








LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Bùi Thị Thanh Huyền, học viên lớp cao học K10 Tự Động Hoá niên
khoá 2007-2009 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là TS. Trần Xuân Minh, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,
tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện
biến tần

động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư".
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Bùi Thị Thanh Huyền







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

3
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ……………………………………………………………. ........
Lời cam đoan ……………………………………………………………. ......... 2
Mục lục ………………………………………………………………............... 3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………………………………… ........ 5
Danh mục các bảng ……………………………………………………… ........ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………… ......... 7
MỞ ĐẦU………………………………………………………………… ......... 11
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ………………… .......

13
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều ………. .......... 13
1.1.1. Giới thiệu chung ……………………………………………… ......... 13
1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ............ 14
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ………. .......... 15
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……………….......... 15
1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất ……. .......... 16

1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………………….. ........ 16
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp ………………………………………….. ........ 19
1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ ………………………………………….......... 25
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng ………………… ........ 25
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………………………. ........ 27
CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ
CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ……………… .............

29
2.1. Đặt vấn đề ………………………………………............................ ........ 29
2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ
dùng chỉnh lƣu PWM ………………………………………. .....................

30
2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………………………. .......... 33
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……………………… ........ 34
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha ……… .......... 35
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  . .........
36
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q …… ........ 37
2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM …………………………. ........ 38
2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……………….. ......... 39
2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……………………. ........... 39
2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ………………………. ........... 39
2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………………….. ........ 41
2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ……………………………. ........ 41
2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………………………… ........ 42
2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………. ................... 46
2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện
áp..................................................................................................... .............

47
2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp

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

4
dựa vào dòng điện (VOC) …………………………… ................... 47
2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ……………. ......... 49
2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công
suất DPC …………………………………………………… ................

50
2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp …………………….. ......... 52
2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ………………… ........ 53
2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lƣu PWM ………………………………………………. .................

54
2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………………………. ........ 55
2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt .................................... 57
2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………………………………......... 58
CHƢƠNG 3 - NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ……… .......................................................


60
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba
pha................................................................................................ ......................

60
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha …………………………………………………………………. 60
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi ………………….. ........ 69
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha
bất kỳ ………………………………………………………... ..................

81
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha …………………………………………………………………… 82
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha ……………………………………………………………………. 83
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hƣớng từ
trƣờng trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (hệ tọa độ MT) .......................

83
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector ……………. ........... 85
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng của động cơ không đồng
bộ .............................................................................................................

86
3.2.2. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……………… ........ 87
3.2.3. Phƣơng trình cơ bản điều khiển vector ……………………….. ........ 88
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor ……………………………. ........... 89
3.3. Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK ……………………………. ......... 91
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK .............................. 91
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐK …. ............ 91
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………………….. ........ 92
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng nguyên lý điều khiển vector ..... 94
CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA..................... ...............

97

4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM……………….. .......... 97
4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM …………........... 97
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM ……………………… ......... 99
4.2. Mô phỏng hệ truyền động Biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha .. 100
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab .. 100
4.2.2. Kết quả mô phỏng ……………………………………………. ......... 103

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

5
Kết luận và kiến nghị ................................................................... ...................... 107
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... ......... 108

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Góc pha của vector chuẩn

Góc lệch giữa trục cuộn dây rotor và stator pha A

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, góc lệch giữa trục M và trục 

Tần số góc của điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ

l
Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho bộ chỉnh lƣu


1
Tốc độ góc của từ thông stator so với stator

2
Tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor

A
Từ thông stator pha A

B
Từ thông stator pha B

C
Từ thông stator pha C

a
Từ thông rotor pha A

b
Từ thông rotor pha B

c
Từ thông rotor pha C

M2

Thành phần trục M (d) của vector từ thông rotor

T2

Thành phần trục T (q) của vector từ thông rotor

M1

Thành phần trục M (d) của vector từ thông stator

T2

Thành phần trục T (q) của vector từ thông stator
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

ĐK Động cơ không đồng bộ ba pha
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

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

6
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
M1
Thành phần trục M (d) của vector dòng stator động cơ
i
T1
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
m1

Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động cơ
L
t1
, L
t2
Điện cảm tản cuộn dây stator và rotor
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
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
U

Vector điện áp đặt vào động cơ
U
1
Sóng hài bậc nhất điện áp đầu ra khối nghịch lƣu của biến tần
u
M1

Thành phần trục M của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
u
T1

Thành phần trục T của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
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

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

7
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
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
……………………………………………………………………………….. 57
Bảng B.2.2 : Sự tăng giảm p, q theo U………………………………………….... 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …………. .......... 17
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……………………………. ........ 17
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin….………………………………………………………….. ..................

18
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………………………………….. .....................

18
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp…………………………………………. ......... 20
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều……………. ........ 21
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector…………………………………. .............. 24
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (

là chỉ số sóng hài)…. ........
25
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R
h
trong mạch một chiều……… ........ 26
Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều………………… .................

26
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM………… ......... 30
Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM………….. ......... 31
Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………………….. .......... 31
Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.. ........ 31
Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1
(nghịch lưu)……………………………………………………………….. ........ .

31
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
………………………………………. ........................

32
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM……………. ......... 33

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

8
Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ

-

và d-q…………………………………………………………….....................

34
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba
pha………………………………………………………………………….. ........

35
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ


-

…………. ........
37
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q…………. ......... 38
Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM …………………………... ......... 39
Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….. ........ 40
Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………………. ......... 41
Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM…………………………………………………………………… ..............

43
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM …………………………………………………………… ........

44
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………………….. ........ 45
Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM…………………. ........ 46
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu
PWM với các phương pháp điều khiển ………………………………… .......
47
Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ………………. 48
Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC…………………………………………………………………………

49
Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VFOC………………………………………………………………………..........

50

Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……………….. ........ 51
Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………………….. ........ 52
Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector
L

……………………………. .......
53
Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ………………………… ........ 55
Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………………. ......... 56
Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC………… ....... 57
Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………………………………… ......... 59
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ .... 61
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ
không đồng bộ nhiều biến …………………………………………… ............

61
Hình 3.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha …………………. ......... . 62
Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích
từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù ………………………… ................ .

69
Hình 3.5: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều……………………. ....... .

71
Hình 3.6: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức
từ động cuộn dây ………………………………………………. .................... .

74
Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian

sức từ động …………………………………………………………. ................

78
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ: 3/2) Biến

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

9
đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ;

) Góc giữa trục M và
trục

(trục A)………………………………………………… ........................

86
Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………... ........ 87
Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định
hướng từ trường …………………………………………………….. ...............

90
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK…………… .......... 91
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ ba pha……. ....................

92
Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………….......... 93
Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông
rotor……………………………………………………………………….. ..........

96
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC ………………………………………………………………………... 98
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 ........... .......

98
Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 ............... ......... 99
Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC .. ......... 99
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC ........................................................................................... ................

99
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 ......................................... ...............

100
Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn ...................................................... ........

100
Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f = f
đm
................. ........ 101
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không
đồng bộ ba pha ....................................................................... ...................

102
Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC
(khối “INVERTER” trên mô hình hình 4.9 .............................. .................

102
Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.9 ............. ......... 103
Hình 4.12: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải để chuyển chế
độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ là 100 rad/s…………. ..........................

104
Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải của động cơ khi khởi động và khi chuyển
động cơ sang trạng thái hãm tái sinh ở chế độ tốc độ ổn định (tại
t=1s)…………………………………………………………….. .......................


104
Hình 4.14: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyển chế độ làm
việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái
sinh………………………………………………………………………. ............



105
Hình 4.15: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100
rad/s xuống 80 rad/s ……………………………………..…………................
105
Hình 4.16: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s)

106


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

11
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ
động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời
và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã
giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu. Tuy nhiên các bộ biến
tần hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện
công nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động
bộ biến tần-động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái
sinh. Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu
cầu kỹ thuật cấp bách.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động
cơ xoay chiều cho phép động cơ có thể làm việc được ở cả bốn góc phần tư và cải
thiện chất lượng dòng điện qua lưới
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Xây
dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động cơ
xoay chiều không đồng bộ ba pha. Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả
phân tích, tính toán lý thuyết.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động.
Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao
hơn các hệ thống hiện có.
5. Kết cấu của luận văn

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

12
Luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần-động cơ xoay
chiều.
Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực PWM phục vụ cho biến tần bốn góc
phần tư.
Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện biến
tần 4Q - động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ
ba pha.
Kết luận và kiến nghị


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

13
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 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
Các hệ thống truyền động điện đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác
nhau, chúng đƣợc dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong
thế kỷ XIX đã lần lƣợt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay
chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20%
truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều
này hầu nhƣ đã đƣợc thế giới coi nhƣ là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phƣơng án
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã đƣợc phát minh và đƣa vào ứng dụng

khá sớm, nhƣng chất lƣợng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện
một chiều. Mãi tận tới 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
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là 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.
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.

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

14

1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tin cậy
và giá thành rẻ nhất. 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 cách xử lý công suất trƣợt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ đƣợc phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công suất
trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay
đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này đƣợc tăng lên theo thứ tự trên.
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.

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

15
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 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 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ, nhƣ đã giới thiệu, chủ yếu có 2 loại là động cơ kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Đối với động cơ điện đồng bộ chủ
yếu dùng kiểu điều tốc biến tần.
Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử
dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ nhƣ điều khiển các chuyển động của rô bốt.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất lớn,
công suất có thể đến hàng chục MW, đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền động
nhƣ máy bơm, quạt gió, nén khí, truyền động cho lò trong công nghệ sản xuất xi
măng,…
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ
và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lƣợng của hệ
thống truyền động. 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

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

16
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.
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.

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

17
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 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
Sơ đồ
chỉnh lƣu

thuËn
 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
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)

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

18
/2  0  /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 2.3. 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
=/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
Sơ đồ
chỉnh
ngƣợc ở
chế độ
nghịch
l-u
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

19
chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc 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.
+ 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.

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

20
+ 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
Nghịch lƣu
f
2
,U
2


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

21

B. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với bộ
biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối
nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b.
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều
a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor
b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM
 3
f1, U1
Chỉnh lƣu
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
a
 3

f
1
, U
1

Chỉnh lƣu
không
điều khiển
 3
f
2
, U
2


Lọc 1
b
Lọc 2
Bộ biến
đổi xung
điện áp
Nghịch lƣu
 3
f
1
, U
1

Chỉnh lƣu
không

điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
PWM
c

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

22
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lƣu sử
dụng bộ chỉnh lƣu điôt không điều khiển. Khối nghịch lƣu chỉ có nhiệm vụ biến đổi
điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh đƣợc mà không có khả năng
điều chỉnh điện áp ra của nghịch lƣu nên giữa khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu bố trí thêm
bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho
nghịch lƣu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều
đầu ra nghịch lƣu U
2
. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chƣa kể phải
thêm khâu lọc) nhƣng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục đƣợc nhƣợc điểm
của bộ biến tần thứ nhất trên hình 1.6a. Khối nghịch lƣu đầu ra không thay đổi nên vẫn
tồn tại nhƣợc điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn.
C. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM
Nhƣ trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phƣơng 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 đƣợc thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số
ở khâu nghịch lƣu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lƣu, điều này đã kéo
theo một loạt vấn đề. Các vấn đề đó là:
(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển đƣợc, nghĩa là khá phức tạp;
(2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán
tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thƣờng bị chậm trễ;
(3) Do bộ chỉnh lƣu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn 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;
(4) Đầu ra của bộ nghịch lƣu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo
ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn
ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy các
thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng
đƣợc những yêu cầu đối với những 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 của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra đƣợc các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này.

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

23
Năm 1964 A. Schönung và một số đồng nghiệp ngƣời Đức đã đƣa ra ý tƣởng
biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông
tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần. Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này
về cơ bản đã giải quyết đƣợc vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thông thƣờng dùng
tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện
xoay chiều cận đại. Hình 1.6c 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 lƣu
chỉ cần là chỉnh lƣu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc
L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lƣu, linh
kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lƣu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và

đƣợc điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình
chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phƣơng pháp điều khiển quy luật phân bố thời
gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là phƣơng 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 điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lƣu, 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 1.6c là :
(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển đƣợc, đơn giản hoá
cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra
bộ nghịch lƣu và tiến gần đến 1;
(2) Bộ nghịch lƣu 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 đƣợc đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ đƣợc
sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần nhƣ hình sin,
biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ
thống truyền động.
D. Biến tần điều khiển vector

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

24
Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến
việc xuất hiện nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một
bƣớc chất lƣợng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phƣơng pháp
điều chỉnh U
1
/f
s
=hằng số (f

s
là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động
cơ, đây cũng chính là tần số f
2
trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thể cho phép điều
chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lƣợng dòng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã
đƣợc mở rộng nhƣng mô men cực đại bị giới hạn và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu cao
về chất lƣợng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc vòng kín dùng
biến tần gián tiếp SPWM, nhƣ là hệ điều tốc điều khiển tần số trƣợt chẳng hạn, đã cải
thiện đáng kể chất lƣợng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo đƣợc đặc
tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lƣợng
động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt đƣợc nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ
một chiều.
Dựa trên kết quả 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 đƣợc ứng dụng rất phổ biến.




Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lƣu điều khiển vector
(biến tần vector) đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.7. Về cơ bản các thiết bị phần lực của
biến tần này hoàn toàn tƣơng tự nhƣ của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ
khác là việc điều khiển khối nghịch lƣu áp dụng phƣơng pháp điều khiển vector. Trong
biến tần điều khiển vector, ngƣời ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các
vector dòng, áp, từ thông động cơ từ hệ ba a-b-c pha sang hệ hai pha quay d-q, quay
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector

 3
f1, U1
Chỉnh lƣu
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
điều khiển
vector

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

25
đồng bộ với từ trƣờng stator của động cơ và thƣờng chọn trục d trùng với vector từ
thông rotor (điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor). Thông qua phép biến đổi tọa
độ không gian vector, các đại lƣợng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành
đại lƣợng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ
truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đó, các đại lƣợng
một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đƣợc biến đổi thành đại lƣợng xoạy chiều ba
pha qua phép biến đổi ngƣợc tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các
van nghịch lƣu. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều đƣợc thực
hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor cho phép
có thể duy trì đƣợc từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản),
thực hiện đƣợc quan hệ E
r

/f
s
= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều
không đồng bộ trong hệ có dạng nhƣ đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải
mô men rất lớn).
1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường
Các bộ biến tần có cấu trúc đƣợc mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ƣu
nhƣợc điểm đã đƣợc giới thiệu trong mục trƣớc còn tồn tại một số nhƣợc điểm cơ bản
sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới có biên độ khá lớn làm méo dạng đƣờng
cong điện áp lƣới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc
biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện đƣợc quá trình biến đổi
năng lƣợng từ phía tải (động cơ) đƣa trả lại lƣới điện xoay chiều nên ảnh hƣởng đến
chất lƣợng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Để giảm nhỏ biên độ
hoặc loại bỏ một số sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới xoay chiều có thể sử dụng
các sơ đồ chỉnh lƣu liên hợp hoặc các khâu lọc nhƣ hình 1.8. Khâu lọc đƣợc thiết lập
thành nhóm mạch LC cộng hƣởng nối tiếp (lọc thụ động), nó sẽ dập tắt các dòng điện
điều hoà bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc dải rộng (hình 1.8
b).

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

26
Để tăng hệ số công suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngoài
việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sóng hài bậc cao (sóng hài bậc cao cũng là một
yếu tố làm suy giảm hệ số công suất của bộ chỉnh lƣu), có thể phải bố trí thêm các
thiết bị bù công suất phản kháng.
Về mặt nguyên tắc, công suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ
truyền động) có thể đƣợc tiêu tán trên trên trở trong mạch một chiều nhờ khóa đóng
cắt có điều khiển hoặc có thể biến đổi thành điện năng xoay chiều và trả lại lƣới điện

cung cấp xoay chiều.
Chỉnh lƣu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lƣợng đi theo một chiều duy nhất. Vì
vậy, năng lƣợng từ động cơ không thể trả về lƣới mà chỉ có thể bị tiêu hao trên các
điện trở (R
h
) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình
1.9). Trong trƣờng hợp công suất lớn thì đòi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dòng điện lớn,
khó khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tƣ. Mặt khác việc sử dụng điện trở hãm
để tiêu tán năng lƣợng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống.




υ
= 5
υ
= 5 ÷ 13
7 11 13 >17
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (

là chỉ số sóng hài)
a)
b)
Chỉnh lƣu Nghịnh lƣu
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R
h
trong mạch một chiều
ĐK
C
l

A
B
C
Tr
R
h