Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

PHỊNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS. Ngô Đức Minh
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá
2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS.
Ngô Đức Minh. Tơi đã hồn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là
“Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”.
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã
được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng
bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014
Học viên

Trương Nhật Tiên


ii

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình
hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp

năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển
mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các
dạng nguồn phát điện theo cơng nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, điện mặt
trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác
nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia,
mạng điện thơng minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được
quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn
này có tính chất mềm (siêu mềm), khơng ổn định. Tính kinh tế của hệ thống
còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước
sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong
phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi
hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng
quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các
tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống
(mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong
bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch,
các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ
biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ
nguồn.
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một
phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời
nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến
đổi điển tử cơng suất điển hình kiểu biến tần 4 Q để áp dụng cho hệ nguồn


iii
điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời. Xây
dựng mơ hình hệ nguồn điện sưc gió và pin Mặt trời.
Nội dung nghiên cứu được bố cục thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về biến tần 4Q
Chương 2: Nghiên sử dụng năng lượng tái tạo:
-

Năng lượng gió

-

Năng lượng Mặt trời

Chương 3: Mơ hình hóa mơ phỏng hệ thống
Trong q trình nghiên cứu để thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất nhiều
khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy
giáo TS. Ngơ Đức Minh đã giúp tơi hồn hồn thành luận văn với kết quả
mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng khơng thể tránh khỏi
những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét
của các thầy cơ giáo và các bạn để được hồn thiện hơn.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức
Minh cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
– Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tơi hồn
thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng 10 năm 2014

Học viên

Trương Nhật Tiên

MỤC LỤC
Chương 1.............................................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ..................................................... 1
1.1. Giới thiệu chung................................................................................................................ 1
1.2. Biến tần 4 góc phần tư................................................................................................... 6
1.2.1. Chỉnh lưu PWM......................................................................................................... 6
1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM:.............................................. 6
1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM:........................................ 8
1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM.............................. 11
1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM............12
1.4. Mơ tả tốn học và điều khiển chỉnh lưu PWM........................................... 14
1.4.1. Mô tả dịng điện và điện áp nguồn................................................................. 14
1.4.2. Mơ tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM......................................................... 15
1.4.3. Mơ tả tốn học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc . 16

1.4.4. Mơ tốn học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β.............................17
1.4.5. Mơ tả tốn học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q.........18
1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC............................................ 21
1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC........................................... 24
1.3. Kết luận chương 1......................................................................................................... 27
Chương 2............................................................................................................................................ 28
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO................................................................. 28
2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo.................................................................. 28
2.2. Máy phát điện sức gió................................................................................................. 29
2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió......................................................... 29
2.2.2. Các loại turbine gió................................................................................................ 32
2.2.3. Tính tốn cơng suất của gió............................................................................... 35
2.2.4. Máy phát điện turbine gió.................................................................................. 39
2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ................................................................................ 39
2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng....................................................... 40

2.2.5. Cơng suất trung bình của gió............................................................................ 47
2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn................................................................................. 48
2.2.6. Các dự đốn đơn giản của năng lượng gió................................................ 52
2.2.6.1. Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung
bình......................................................................................................................................... 53
2.2.6.2. Các cánh đồng gió......................................................................................... 54
2.2.7. Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine................................ 58
2.3. Pin lượng Mặt trời........................................................................................................ 61
2.3.1. Năng lương Mặt trời.............................................................................................. 61
2.3.2. Mơ hình nguồn điện pin Mặt trời................................................................... 63
2.3.2.1. Bộ biến đổi DC/DC...................................................................................... 64
2.3.3. Vấn đề tích trữ năng lượng................................................................................ 72
2.3.4. Hoạt động của pin Mặt trời................................................................................ 75
2.3.5. Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O................................... 80
2.4. Kết luận chương 2......................................................................................................... 86
Chương 3...................................................................................................................................... 87
MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ THỐNG......................................................... 87
3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống.................................................................................... 87
3.2. Mơ hình hóa mơ phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép
[6Q]................................................................................................................................................... 89
3.2.1. Giới thiệu chung...................................................................................................... 89
3.2.2. Mơ hình hóa mơ phỏng hệ DFIG................................................................... 91
3.3. Kết luận chương 3......................................................................................................... 98
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................................. 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 100


HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng....................................... 1
Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng....................................... 2
Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư.......................................... 6
Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM........................................................................... 7
Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều............................................ 8
Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 9
Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.................................... 11
Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM......................................... 13
Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM............................. 14
Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên..................17
Hình 1. 11. Mơ hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β........................18
Hình 1. 12. Mơ hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q............................19
Hình 1.13. Đồ thị véctơ mơ tả dịng cơng suất trong bộ biến đổi AC/DC hai
chiều phụ thuộc vào hướng iL........................................................................................ 20
Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC....................................... 21
Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC...................22
Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thơng ảo với bộ lọc đầu vào.......................23
Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thơng ảo....24
Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC...................................... 24
Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ
chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q................................... 25
Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm

31

Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002.........................31
Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002..................32
Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình............................................................................. 33
Hình 2. 5. Cơng suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm.............37

Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus................................................................. 38
Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha....................................................................................... 40
Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm....................................... 41
Hình 2. 9. Mơ hình máy phát điện cảm ứng...................................................................... 42
Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau
được bao quanh nó một điện trường quay............................................................... 43
Hình 2. 11. Mơ tả nguyên lý máy phát................................................................................. 44
Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng....................45
Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngồi cộng hưởng với
điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng.............................................. 47
Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ 50
Hình 2. 15. Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ơ của turbine gió 55
Hình 2. 16. Khoảng cách tối ưu của các tháp................................................................... 56
Hình 2. 17. Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió................................................. 58
Hình 2. 18. Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) khơng có điện tử cơng
suất............................................................................................................................................... 59
Hình 2. 19. Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử cơng suất.............................. 60
Hình 2. 20. Cấu hình đồng bộ điện tử cơng suất............................................................ 61
Hình 2. 21. Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời............................................. 62
Hình 2. 22. Mơ hình khai thác năng lượng từ nguồn PV........................................... 63
Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck................................................................ 65
Hình 2. 24. Dạng sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck................................. 66
Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost........................................................................... 68
Hình 2. 26. Dạng sóng dịng điện của mạch Boost....................................................... 69
Hình 2. 27. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost.......................................................... 69
Hình 2. 28. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha................................................................................. 71
Hình 2. 29. Mơ hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV............................. 72

Hình 2. 30. Tổ hợp nguồn pin Mặt trời................................................................................ 75
Hình 2. 31. Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell............................... 76
Hình 2. 32. Đặc tính V-I của một PV cell........................................................................... 76
Hình 2. 33. Ghép nối tiếp PV cell.......................................................................................... 77
Hình 2. 34. Ghép song song PV cell..................................................................................... 77
Hình 2. 35. Một Array pin Mặt trời....................................................................................... 77
Hình 2. 36. Mơ hình mạch điện nguồn PV Array.......................................................... 78
Hình 2. 37. Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP............................................................. 78
Hình 2. 38. Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ................................................... 79
Hình 2. 39. Đặc tính thực tế của PV Array........................................................................ 79
Hình 2. 40. Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ....80
Hình 2. 41. Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi...................80
Hình 2. 42. Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O....................................... 83
Hình 2. 43. Lưu đồ thuật tốn Phương pháp P&O........................................................ 84
Hình 3. 1. Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha 87
Hình 3. 2. Mơ hình DFIG với Biến tần 4 Q...................................................................... 87
Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một
chiều............................................................................................................................................ 88
Hình 3. 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời............................................................. 88
Hình 3. 5. Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ
MP................................................................................................................................................ 90
Hình 3. 6. Cấu trúc mơ phỏng hệ DFIG-4Q...................................................................... 92
Hình 3. 7. Tốc độ rotor................................................................................................................. 93
Hình 3. 8. Cơng suất phát ra từ DFIG.................................................................................. 94
Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới).................................................................... 95
Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới...................................................................... 95


Hình 3. 11.

Đi

đổi ........................................................................................................

Hình 3. 12.

Dị

Hình 3. 13.

Tá

Bảng 1. 1.

Bảng c

khiển DPC. ...........................................................................................
Bảng 2. 1.

Tốc độ

Bảng 2. 2.

Bảng t


1

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

1.1. Giới thiệu chung
Kể từ khi lý thuyết điều khiển/điều chỉnh phát triển và khẳng định thế
mạnh được các thế mạnh của nó một cách vững chắc, thì các bộ biến đổi cũng
đồng thời cũng được phát triển cùng nhịp độ để đáp ứng nhu cầu thực tế. Hơn
nữa kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển như vũ bão, công nghệ chế tạo
các thiết bị điện tử công suất đạt được trị số ngày càng cao cả về dòng và áp
với giá thành ngày càng hạ. Việc ứng dụng các bộ biến đổi để điều chỉnh dòng
năng lượng theo hai chiều thuận nghịch không những chỉ được ứng dụng
trong truyền động điện mà còn phát triển mạnh mẽ làm phần tử ghép nối giữa
các nguồn điện với lưới, hình 1.1 và hình 1.2. Để làm được điều này bộ biến
đổi tích cực đã khẳng định có nhiều phẩm chất tiến bộ hơn hẳn những bộ biến
đổi truyền thống, thời kỳ đầu. Đối tượng ta đang nói tới, đó là bộ biến đổi
PWM. [1],[2]
PWMCON. 1

U2 , f2

U1 , f1
Udc

U 1 , f1

U 1 , f1

Cd

CL

NL

MC

CL

chế độ hÃm tái sinh


Hình 1. 1. Hệ
thống điều
khiển năng
lượng theo
hai hướng


2

Cơng suất của các Bộ biến đổi PWM có thể đạt từ vài trăm W đến hàng
MW được ứng dụng điều khiển cho các động cơ không đồng bộ 3 pha hay
động cơ đồng bộ 3 pha.
Trong truyền động điện, xuất hiện chế độ hãm tái sinh, năng lượng đổi
chiều qua bộ biến đổi trả về lưới, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong
một số hệ truyền động có chế độ đảo chiều thường xuyên như: thang máy nhà
cao tầng, dây chuyền đóng gói tự động, cầu trục... hay các truyền động trong
giao thông vận tải. ở chế độ hãm tái sinh, năng lượng thừa sẽ được phát trả về
lưới, nếu lớn thì điện áp có thể dâng rất cao. Để không gây hỏng thiết bị hay
báo lỗi q trình thì bộ biến đổi phải ln kịp thời chuyển năng lượng dư thừa
về lưới một cách hoàn hảo.
PWMCON. 1

PWMCON. 2

U1 , f1

U1

, f1

Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng
Nghiên cứu các quá trình đổi chiều dịng cơng suất qua bộ biến đổi để có
thể thu hồi năng lượng từ đối tượng điều khiển (động cơ) trả về nguồn ở chế
độ hãm, tương tự như vậy ta có thể đề xuất hướng nghiên cứu q trình trao
đổi cơng suất giữa hai nguồn cơng suất cục bộ và xác định các chiến lược điều
khiển.
Trong hệ thống điện hiện nay, việc phát triển các nhà máy điện công suất


3
lớn có tính chất truyền thống đang làm cho các nguồn năng lượng sơ cấp ngày
một cạn kiệt và gây nhiều tác hại đến môi trường, môi sinh dưới nhiều hình
thức ảnh hưởng khác nhau. Để khắc phục điều này, nhiều tổ chức quốc tế
đang đang khuyến khích sản xuất năng lượng điện theo công nghệ sạch, quy
mô vừa và nhỏ, không gây tác động làm thay đổi các điều kiện tự nhiên như
các thủy điện nhỏ, phong điện, điện Mặt trời...vv. Như vậy vấn đề huy động
công suất từ các nguồn phát nhỏ, cục bộ cho lưới điện chung là bài toán được
đề cập tới của hướng nghiên cứu.
Điều ta vừa nói tới là bộ biến đổi có thể truyền đạt năng lượng xoay
chiều theo hai hướng được ứng dụng trong hai lĩnh vực khác nhau:
1.

Trong lĩnh vực thứ nhất - truyền động điện, q trình hồn trả năng

lượng về lưới chỉ xảy ra khi hãm tái sinh, quá trình này là khơng liên tục, có
chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, có q trình q độ, năng lượng trung bình của một
lần hãm khơng lớn. Tuy nhiên dịng cơng suất trả về lưới cũng đòi hỏi chất
lượng càng cao càng tốt để nâng cao hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng,
hình 1.1.
2.

Trong lĩnh vực thứ hai - trao đổi công suất giữa các nguồn cục bộ hay

với lưới, quá trình xảy ra với thời gian kéo dài, liên tục, hình 1.2. Dịng năng
lượng qua bộ biến đổi có cơng suất có thể rất lớn và phải đạt được các chỉ tiêu
mong muốn đặt trước.
Hệ thống này thể hiện một số ưu điểm như sau:
 Khả năng hãm tái sinh: Như ta đã biết, một động cơ có thể hoạt động
ở

cả chế độ động cơ và máy phát. Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái

sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về
làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều. Trong một số trường hợp, năng
lượng này là nhỏ và có thể được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều. Trong
q trình hãm này, nếu khơng tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá
áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các


4
tụ điện một chiều. Nhất là với các ứng dụng yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và
giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là rất cần thiết, ví dụ như các thang
máy, các máy điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói,... Thơng thường,

khi năng lượng hãm lớn (khoảng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ
thống) thì cần phải tính đến các việc bổ sung các mạch hãm cho hệ thống.
Năng lượng hãm này có thể phát trả về lưới hoặc được tiêu tán bằng các
phương pháp khác nhau: điện trở hãm,...
Một trong các biện pháp hiệu quả nhất ứng dụng bộ biến đổi PWM phía
lưới để hệ thống có thể làm việc trong cả 4 góc phần tư và cho phép phát trả
năng lượng về lưới.
Đặc tính động học tốt hơn: Khả năng hoạt động ở cả 4 góc phần tư
cho phép hệ thống có được đặc tính động học rất tốt so với các hệ thống cũ
trước đây. Khả năng phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới đã cho phép hệ
thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn so với các hệ thống cũ, cho
phép tốc độ thay đổi với gia tốc lớn hơn.


Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn: Trong hoạt động của
biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên
độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ. Điều này đảm bảo cho
biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mơ men đủ nhanh. Ngồi ra nó
cịn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể.


Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển
được điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên (Udc>Uo). Lúc
này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp
cho điện áp một chiều (đó là ưu điểm nổi trội của bộ chỉnh lưu tích cực). Khả
năng này khiến cho hệ thống sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như
các trường hợp sụt giảm của điện áp lưới. Nếu điều khiển tốt điện áp một
chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất

5
lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ (phương pháp chỉnh lưu
PWM).


Khả năng điều chỉnh hệ số cơng suất ở phía lưới: Bộ PWM phía lưới

cho phép ta điêu chỉnh được hệ số cơng suất phía lưới, như vậy nó có thể hoạt
động như một bộ bù công suất phản kháng. Thông thường, người ta mong
muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong các hệ thống cũ dùng
mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta cũng có thể đạt được
hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị
hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ
biến đổi PWM.


Giảm sóng hài bậc cao của dịng điện phía lưới: Ta đã biết là khơng

thể có một bộ nghịch lưu nào cung cấp cho ta một dịng điện hồn tồn hình
sin, vì vậy dịng điện lưới sẽ ln bị méo dạng nhất định. Dịng điện lưới sẽ
chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số
của tần số chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điốt cịn tạo ra
các sóng hài lẻ bậc thấp. Các sóng hài lẻ bậc thấp này có thể gây ra các hiện
tượng như : làm phát nóng các biến áp, lỗi cho động cơ, hỏng tụ điện... Như
vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn,
các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài
bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.
Nhờ có những ưu điểm nổi bật đã kể trên, biến tần 4Q đã được ứng dụng
rất phổ biến cho những hệ truyền động điện hiện đại. Đặc biệt những năm gần
đây biến tần 4Q là đang trở thành đề tài nghiên cứu ứng dụng cho phân phối

công suất giữa các nguồn điện cục bộ.


6
1.2. Biến tần 4 góc phần tư
Để thực hiện quá trình điều tiết năng lượng giữa lưới và phụ tải ta có thể
sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ, khi sử dụng 2 bộ PWM tựa
lưng vào nhau thì việc điều chỉnh dịng cơng suất có thể được thực hiện bằng
cách thay đổi tần số hoặc thay đổi điện áp. Tuỳ thuộc vào quá trình điều chỉnh
cũng như vai trò cụ thể của các bộ PWM ở sự biến đổi năng lượng đó mà ta
có các phương pháp điều khiển khác nhau .
Q trình năng lượng có thể được mơ tả khi tải là động cơ như hình 1.3
Bộ PWM phía
lưới LV ở chế độ
nghịch lưu

Bộ PWM phía

động cơ LV ở chế
độ chỉnh lưu

Bộ PWM phía
lưới LV ở chế độ
chỉnh lưu

Bộ PWM phía
động cơ LV ở chế
độ nghịch lưu

Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư

1.2.1. Chỉnh lưu PWM
1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM:
Cấu trúc cơ bản chỉnh lưu PWM được mô tả trên hình 1.4


7

UA

IA

UB

IB

UC

IC

C

Tải

H
ì
n
h
1

.
4
.


Cấu trúc mạch chỉnh lưu
PWM

Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là
sử dụng các module ba pha số lượng van nhỏ
nên có thể giảm giá thành, năng lượng có khả

-

Phản ứng
của

bộ

điều khiển
điện áp có
thể

được

cải

tiến

bởi

tín

được phát triển. Trong hệ thống phân bố năng

hiệu

đưa

lượng một chiều hay biến đổi AC/DC/AC,

đến từ tải

năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi

dẫn

sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha

giảm đến

PWM. Nó cho hệ số cơng suất bằng cosϕ =1

mức

và dịng điện chứa ít thành phần sóng hài bậc

thiểu điện

cao. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền

dung

một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển

chiều,

năng chảy hai chiều.
Cấu trúc này có triển vọng nên đang

đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền
động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều
sang một chiều, hoạt động đa truyền động,
v.v....
Hơn nữa, biến đổi AC/DC/AC mang lại
một số điểm sau:
-

Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ
cao hơn mà không cần giảm từ trường
(bởi sự duy trì điện áp đường truyền
một chiều trên điện áp đỉnh của nguồn
cấp).

-

Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện áp
so sánh với cấu hình quy ước do điều
khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch

lưu.

đến
tối
1


8
trong khi việc duy trì được điện áp một chiều dưới giới hạn cho phép
thay đổi tải.

UA

IA

UB

C

IB

UC

M

IC

Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều.

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM:

Trên sơ đồ hình 1.4, bộ chỉnh lưu PWM được cấu tạo là một cầu chỉnh
lưu 3 pha chuyển mạch hoàn toàn dùng các thiết bị bán dẫn công suất như
IGBT hay GTO,... các diode mắc song song ngược với van chuyển mạch, tụ
một chiều C, đầu vào chỉnh lưu (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có
lắp thêm cuộn cảm L. Giá trị cuộn cảm L được tính chọn thích hợp kết hợp
với tụ C và phương thức điều chế PWM đóng ngắt các van để dâng cao thế
năng phần một chiều lớn hơn thế năng phần xoay chiều, nhờ đó có được điện
áp một chiều lớn hơn so với chỉnh lưu tự nhiên.
Để có chế độ làm việc bốn góc phần tư đảm bảo cơng suất trao đổi hai
chiều giữa lưới và tải, vì dấu của điện áp một chiều là cố định nên dòng điện
chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu. Ta gọi Id có dấu (+) khi nó có chiều
hướng về tải và ngược lại có dấu (-) khi chiều của nó hướng về lưới, khi đó
cơng suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải P d = Ud.Id > 0 và từ tải về
lưới Pd = Ud.Id < 0.
Để thực hiện được nguyên lý làm việc như trên, bộ chỉnh lưu cần có điều
kiện:
-

Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.


9

-

Do khóa đóng cắt hai chiều IGBT và diode ngược kết hợp mạch vòng

dao động L-C tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0.
Nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM được giới thiệu dựa trên sơ đồ thay
thế một pha và đồ thị véc tơ như trên hình 1.6.a,b,c,d

ωL.iL
L

iL
UL
a)

iL
ε>0
US

c)
Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM

Hình 1.5.a: là sơ đồ thay thế, trong đó U L là điện áp một pha nguồn xoay
chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều) được quy đổi về nguồn xoay chiều
(điểm a).
Hình 1.6.b: là giản đồ véc tơ tổng quát
Hình 1.6c: khi điều khiển chỉnh lưu PWM để véc tơ dòng điện IL trùng
với véc tơ điện áp lưới UL thì cosϕ = 1 và cơng suất Pd > 0;
Hình 1.6d: khi véc tơ dịng điện IL ngược với véctơ UL thì cosϕ = -1 và
công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh).


Như vậy, sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép


10
thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có
thể điều chỉnh được giá trị hệ số công suất cosϕ theo mong muốn cho từng

ứng dụng thực tế.
Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:


Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiên

(thường ít nhất là 20%).


Có cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới.



Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM

Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một
chiều nhỏ nhất. Thơng thường, có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất:
Vdcmin>VLN(rms)*
Ta có biểu thức điện áp
u >

(E

dc

Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một
chiều đầu ra, dòng điện (tải) và cảm kháng.
Cuộn cảm phải được lựa chọn phù hợp, bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho
dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở
kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhơ dịng điện,

nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi
trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều
chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới
hạn bởi điện áp 1 chiều. Kết quả là, dịng điện lớn(cơng suất lớn) qua cảm
kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi
biến đổi phương trình (1.1) độ tự cảm lớn nhất xác định:
u2
dc

L<