Nghiên cứu bộ biến đổi xoay chiều – một chiều bốn góc phần tư.pdf

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


























ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------------------------

TRẦN THỊ HOÀN





NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT
CHIỀU BỐN GÓC PHẦN TƢ




CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA





LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH









08/2009


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

- 1 -
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................. 4
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1
PHÂN TÍCH NHƢỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU
....... 8
1.1. Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ) ................. 8
1.1.1. Chế độ dòng liên tục ............................................................................... 9
1.1.2. Hiện tƣợng chuyển mạch ...................................................................... 11
1.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn ................................................................. 13
1.2. Phân tích sóng hài bậc cao ......................................................................... 16

1.3. Dòng điện gián đoạn ................................................................................... 19
1.4. Quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ..................................................................... 21
1.4.1. Mạch lực ............................................................................................. 21
1.4.2. Phân tích đảo chiều .............................................................................. 22
1.5. Kết luận ...................................................................................................... 27
CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU BIẾN ĐIỆU
ĐỘ RỘNG XUNG .................................................................................................................. 28
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 28
2.2. Cấu trúc mạch lực FQR (Three- phase Four- quadrant PWM rectifier) ...... 28
2.2.1. Bộ lọc đầu vào:..................................................................................... 29
2.2.2. Bộ biến đổi ........................................................................................... 30
2.3. Điều chế vector không gian ......................................................................... 30
2.3.1. Khái niệm vector không gian và vector chuẩn ....................................... 30
2.3.2. Xây dựng phƣơng pháp điều chế vector không gian .............................. 33
2.3.2.1. Xác định vector biên chuẩn ............................................................ 33
2.3.2.2. Xác định vector i
ref
thuộc sector nào .............................................. 34
2.3.2.3. Xác định tỉ số điều biến d
1
, d
2
........................................................ 36
2.3.2.4. Xác định mẫu xung cho từng sector ................................................ 38
2.4. Kết luận ...................................................................................................... 46



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

- 2 -
CHƢƠNG 3 ỨNG DỤNG CHỈNH LƢU PWM CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐẢO CHIỀU
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ..................................................................................................... 47
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 47
3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển bốn góc phần tƣ FQR (Four – Quadrant PWM
Rectifier) cho động cơ một chiều DC ................................................................. 47
3.3. Thiết kế bộ điều chỉnh ................................................................................. 48
3.3.1. Động cơ một chiều ................................................................................ 48
3.3.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ............................................................ 49
3.3.3. Số hóa bộ điều chỉnh .................................................................................................. 52
3.4. Điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng ............................. 53
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................. 55
4.1. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu ba pha bốn góc phần tƣ .......................................... 55
4.1.1. Mô hình mô phỏng chỉnh lƣu PWM ...................................................... 55
4.1.2. Kết Quả mô phỏng ................................................................................ 58
4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm ................................................................... 68
4.2.1. Cấu trúc thực nghiệm ......................................................................... 68
4.2.1.1. Giới thiệu về card điều khiển 1104 của hãng dSPACE .................. 70
4.2.1.2. Phần mền Control Desk ................................................................. 71
4.2.1.3.Card giao diện và hệ thống đo lƣờng .............................................. 71
4.2.2. Quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm ......................................... 73
4.2.3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 74
4.3. Kết luận: ..................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 79

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

- 3 -
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
i

dc
Giá trị dòng điện một chiều
u
dc
Giá trị điện áp một chiều
i
ref
Giá trị dòng điện chỉnh lưu
i

, i

Thành phần vector dòng điện trên hệ trục tọa độ 
f Tần số
R
A
Điện trở phần ứng
L
A
Điện cảm phần ứng
M Động cơ một chiều
 Tốc độ quay của động cơ

*
Giá trị tốc độ đặt
i
sd
Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q
i
sq

Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q
P Công suất tác dụng
Q Công suất phản kháng
RI Khâu điều chỉnh dòng điện
R Khâu điều chỉnh tốc độ
THD Hệ số méo dạng dòng điện
BBĐ Bộ biến đổi
MBA Máy biến áp
PLL Khối đồng pha
LC Mạch lọc LC
DC Động cơ một chiều
ADC Bộ chuyển đổi tương tự số (Analog -to Digital Converter)
I/O Cổng vào ra (Input/ Output)
PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)
SVM Điều biến vector không gian (viết tắt của Space Vector Modulation)
FQR Bộ chỉnh lưu điều biến độ rộng xung ba pha bốn góc phần tư (Three-
phase Four- Quadrant PWM Rectifier)


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

- 4 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều
Hình 1.2 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha.
Hình 1.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha.
a) Đặc tính điều chỉnh
b) Đồ thị thời gian.
Hình 1.4 Hiện tượng chuyển mạch giữa các van
12

TT

Hình 1.5 Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các
dòng điện chỉnh lưu khác nhau.
Hình 1.6 Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục.
Hình1.7 Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor
Hình 1.8 Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 0
0
)
Hình 1.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 60
0
)
Hình 1.10 Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 90
0
)
Hình 1.11 Ảnh hưởng của m,L khi chỉnh lưu
a) Ba pha hình tia
b) Ba pha hình cầu

Hình 1.12 Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng
Hình 1.13 Mô hình khâu LOG
Hình 1.14 Diễn biến quá trình đảo chiều.
Hình 1.15 Mô hình mô phỏng quá trình đảo chiều động cơ
Hình 1.16 Đặc tính tốc độ (rad/s)
Hình 1.17 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud
Hình 1.18 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud giai đoạn đảo chiều
Hình 2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư
Hình 2.2 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi bốn góc phần
Hình 2.3 Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng
Hình 2.4 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi hai góc phần tư
Hình 2.5 Vector không gian dòng xoay chiều đầu vào khi I
dc
> 0
Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi I
dc
< 0

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

- 5 -
Hình 2.7 Lược đồ lựa chọn sectơ
Hình 2.8 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 1
Hình 2.9 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 2
Hình 2.10 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 3
Hình 2.11 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 4
Hình 2.12 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 5
Hình 2.13 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 6
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển FQR
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hình 3.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện.
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ.
Hình 3.6 Khâu điều chỉnh PI số
Hình 3.7 Mối liên hệ giữa các thành phần trong tọa độ quay
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng
Hình 4.2 Mô hình mạch lực.
Hình 4.3 Khối phát xung PWM
Hình 4.4 Khối chuyển vị tọa độ abc dq
Hình 4.5 Khối chuyển vị tọa độ dq αβ
Hình 4.6 Cấu trúc chi tiết khối tính chọn góc theta
Hình 4.7 Đặc tính tốc độ động cơ
Hình 4.8 Đặc tính dòng điện đầu vào
Hình 4.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC
Hình 4.10 Đặc tính điện áp đầu vào
Hình 4.11 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Hình 4.12 Đặc tính điện áp một chiều.
Hình 4.13 Đặc tính điện áp một chiều lúc đảo chiều
Hình 4.14 Đặc tính dòng điện một chiều
Hình 4.15 Đặc tính mô men động cơ
Hình 4.16 Đặc tính tốc độ động cơ giai đoạn có đảo chiều
Hình 4.17 Đặc tính dòng điện đầu vào

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

- 6 -
Hình 4.18 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC
Hình 4.19 Đặc tính điện áp đầu vào
Hình 4.20 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Hình 4.21 Đặc tính điện áp một chiều.

Hình 4.22 Đặc tính điện áp một chiều lúc ổn định
Hình 4.23 Đặc tính dòng điện một chiều
Hình 4.24 Đặc tính mô men động cơ
Hình 4.25 Cấu trúc thực nghiệm tổng quát
Hình 4.26 Mô hình thực nghiệm
Hình 4.27 Nguồn cấp cho sơ cấp MBA xung
Hình 4.28 Nguyên lí của mạch nguồn cho một driver
Hình 4.29 Nguyên lý driver phát xung cho van MOSFET
Hình 4.30 Cấu trúc R&D DS1104Mô hình cấu trúc
Hình 4.31 Giao diện của card ds1104 với ngoại vi
Hình 4.32 Giao diện điển hình dùng DS1104
Hình 4.32 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển
Hình 4.34 Mô hình thực nghiệm chỉnh lưu
Hình 4.35 Ba pha mạch chỉnh lưu.
Hình 4.36 Một pha của mạch chỉnh lưu
Hình 4.37 Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số
Hình 4.38 Đặc tính tốc độ
Hình 4.39 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Hình 4.40 Điện áp đầu vào
Hình 4.41 Dạng xung cho 6 van
Hình 4.42 Tín hiệu vào và tín hiệu mở van






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

- 7 -

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ
trên thế giới, Việt Nam đang từng ngày hội nhập với nền kinh tế thế giới và tiếp
nhận những thành tựu mới nhất của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong ngành
công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xuất ngày càng nhiều.
Và các ứng dụng của nó trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển hết sức
mạnh mẽ.
Hiện nay, việc điều khiển động cơ một chiều thường sử dụng bộ biến đổi
Tiristor truyền thống: Xung áp một chiều, chỉnh lưu tiristor … với nhiều nhược
điểm: Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình đảo chiều diễn ra chậm,
logic đảo chiều phức tạp. Để khắc phục những nhược điểm trên người ta nghiên cứu
các phương pháp mới. Một trong những phương án đó là phương pháp chỉnh lưu
PWM ba pha bốn góc phần tư.
Xuất phát từ thực tế đó tôi đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu
bộ biến đổi xoay chiều – một chiều bốn góc phần tƣ”.
Luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1: Phân tích nhược điểm truyền động T – Đ đảo chiều
Chương 2: Phân tích nguyên lý làm việc của chỉnh lưu biến điệu độ rộng xung
Chương 3: Ứng dụng chỉnh lưu PWM cho truyền động đảo chiều động cơ một chiều
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thày cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Bùi Quốc Khánh, người đã luôn động
viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh
khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ các thày cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2009
Tác giả

Trần Thị Hoàn

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

- 8 -
CHƢƠNG 1
PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU

1.1. Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ)
Trong hệ thống truyền động thyristor - động cơ một chiều (T- Đ), bộ biến đổi
điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ
E
d
phụ thuộc vào giá trị của pha xung
điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp
phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền
động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn
cứ vào các dấu hiệu sau đây:
- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v….
- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, và không đối xứng
- Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thòi gian một chu kỳ điện áp nguồn:
- Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [U
d
,I
d
]:
- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc:
- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.

- Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào
các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích
từ (L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Để tìm hiểu hoạt đông của hệ T-
Đ ta hãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ
trên Hình 1.2, trong đó:
E- sđđ quay của động cơ
,,
21 22 23
u u u
– sđđ thứ cấp máy biến áp nguồn,
,LL
x
- điện cảm mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp
R- điện trở mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp đã
quy đổi)
L L L
uk


R R R R
ba u k
  


L
ba
= L
2
+ L
1

(W
1
/W
2
)
2
(1-1)
2
2
()
21
1
W
R R R
ba
W



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

- 9 -
DC
Uđk
CKT
+
-
L

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều

1.1.1. Chế độ dòng liên tục
Khi dòng điện chỉnh lưu
i
d
là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình
dòng điện và điện áp như trên Hình 1.3. Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối
tiếp nhau, giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau:
2/
sin os
2
2
m
m
E U d E c
d m do

  





(1-2)
Trong đó:

t
e



()
0
2 m


  



 .sin
2
m
EU
do m
m

Trong đó:
0


- tần số góc của điện áp xoay chiều;


- góc mở van (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên
0


- góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương;
m - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều

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

- 10 -

t
e

0

U
U
2a
U
2b
U
2c
E
d
t
e

E
0
v
z

2
m



i
I
p
(v
z
)
i
®
i
o
i
u
i
p
R
E
m
U

2
2
b)
E
d
E

do
2/


a)

0









Hình 1.2. Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lƣu tia ba pha.

Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 1.2 là:
sin( )
20
di
d
U E Ri L
md
dt

   

Với sơ kiện khi

0


thì
0
iI
d

có nghiệm sau:
( )cot
0
os sin( ) os sin( - )
0 2 0 2
g
i RI E U c e E U c
d m m
  
     



   
     

   


(1-3)
Trong đó:
ar

L
e
ctg
R















Hình 1.3. Chỉnh lƣu hình tia ba pha. a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đồ thị thời gian.
~ ~ ~
E
d
E
R
L
T
1
T
2

T
3
I
d
U
2a
U
2b
U
2b
§
L
T
1
T
2
T
3
a
b c

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

- 11 -
~
~
~
U
2a
U

2b
U
2c
L
k
L
k
L
k
i
1
i
2
T
1
T
2
T
3
i
d
K
L
R
E
N
U
d

U

U
2a
U
2b
E
d
m

m

2
m

2
m

2
22 ba
UU 
2 m




2

0
i
i
d

i
2
i
1



1
i

2
i
et

a)
b)
Nếu gọi góc dẫn của van là λ thì có thể tính được thành phần một chiều của
dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ:
sin sin( )
0
20
2 2 2 2 2
mm
I i d U E
dm
R
  





   



(1-4)
Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu thì được tính bởi biểu thức đơn
giản hơn:
os
0
0
E c E
d
I
d
RL





0
m
e


(1-5)
1.1.2. Hiện tượng chuyển mạch
Trong sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha, khi phát xung nhằm để mở một van tiristo
thì điện áp anốt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng,

do đó mà dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không, còn dòng điện của van
kế tiếp sẽ tăng dần lên. Do có điện cảm trong mạch mà quá trình này xảy ra từ từ,
cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau, quá trình
này gọi là chuyển mạch giữa các van.















Hình 1.4. Hiện tƣợng chuyển mạch giữa các van
12
TT


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

- 12 -
Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sđđ chỉnh lưu bằng
trung bình cộng của điện áp hai pha. Phương trình cân bằng điện áp cho các pha lúc
chuyển mạch là:

1
2
di
U L Ed
ak
dt



2
2
di
U L Ed
bk
dt



Để ý rằng
12
i i i
d

và nếu coi
12
di di
dt dt

thì:
sin

2
22
2
sin
2
U
UU
di
m
b a m
dt L L
kk




(1-6)
Thời điểm bắt đầu xảy ra chuyển mạch là tại θ = α; ta được biểu thức tính
dòng điện qua van:
( os os )
2
i I c c
mk


(1-7)
Trong đó
sin
2
U

m
m
I
mk
L
ek




Quá trình chuyển mạch kết thúc khi
0,
12
i i i
d

nếu trong (1-7) ta đặt
2 d
ii
tại
  

thì có thể tính được góc chuyển mạch μ:
arccos( os )
I
d
c
I
mk
  

  










Hình 1.5. Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các dòng
điện chỉnh lƣu khác nhau.
=0,04
=0,03
=0,02
=0,10
=0,0
3/

18/5

9/2

6/

9/

18/


9

9
2

3

9
4

9
5

3
2

9
7

9
8




0
®2
/ 0,50
m
II




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

- 13 -
Trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị
1
I
d
I
mk

do
đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu tia ba pha, góc chuyển mạch cực đại là π/6. Do
có chuyển mạch nên sđđ chỉnh lưu bị sụt đi (vùng gạch chéo lên Hình 1.4b). Giá trị
trung bình của sụt áp do chuyển mạch được tính như sau:
2
mL
ke
U I X I
k d k d


  


1.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn
Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích
lũy trong mạch khi dòng điện tăng (

2
2
I
L
) không đủ duy trì tích chất liên tục của
dòng điện khi nó giảm. Lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2π/m, dòng điện
qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Trong khoảng dẫn của van
thì sđđ chỉnh lưu bằng sđđ nguồn:
,0
20
eU
d
  
   

Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện:
2
,
0
eE
d
p

  
   

Có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong (1-3) đặt
0
0
I 

 
( )cos
0
os sin( ) os sin( )
0
tg
I I c c e
dm
   
        
  



      





(1-8)
Trong đó, như đã đề cập ở trên:
2
,
2
U
E
m
I

m
UR
m







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

- 14 -

U
U
2a
U
2b
U
2c
0
E
d
E
t
e

o




2
m

t
e

i
u
a)
0
i
2
m
U
R
E


U
U
2
U
2a
U
2b
2
m


E
d
t
e

t
e

i
d

o


b)
E
i
d
i
d









Hình 1.6. Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục.

Trong trường hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì phương trình mô
tả mạch Hình 1.4 sẽ là:
sin
2
di
d
U E L
m
dt


(1-9)
Và nghiệm tổng quát của nó như sau nếu gọi C là hằng số tích phân:
2
( os )
U
E
m
i c C
d
LL
ee


   

Khi
0



thì
0i
d

nên ta có nghiệm riêng cho từng trường hợp dòng điện
gián đoạn:
2
( os os ) ( )
00
U
E
m
i c c
d
LL
ee
   

   
(1-10)
Dòng điện
i
d
bắt đầu xuất hiện tại
0


và tăng đến giá trị cực đại tại điểm
mà ở đó
0

2
di
L U E
a
dt
  
và giảm đến bằng không tại
0
  

.
Nếu đặt
**
2
,,
2
Ui
E
md
Ii
md
U L I
m e m


  
thì có thể viết được biểu thức tính dòng
điện chỉnh lưu ở hệ đơn vị tương đối với dạng gọn gàng hơn:
*
( os os ) ( )

00
i c c
d
    
   
(1-11)
Đặt
0
  

và
*
0i
d

vào (2-8) ta tìm được góc dẫn λ ở dạng hàm ẩn:
os os( )
00
cc
  




(1-12)

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

- 15 -
Đây là quan hệ hàm ẩn giữa ba biến số

,,
0
  
có thể giải bằng cách thử lặp
hoặc là bằng phương pháp đồ thị. Trong trường hợp giữ nguyên góc điều khiển
ons
0
ct


nhưng tăng dần sđđ E của động ở (ε) thì góc dẫn λ sẽ giảm dần và khi
sin
20
EU
m


thì λ = 0 tức là không có dòng chảy trong mạch. Lúc này mômen
động cơ cũng sẽ bằng không, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại
xuất hiện trong mạch nhưng tương ứng với tốc độ thấp hơn. Vì thế, ở chế độ dòng
điện gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ trở nên rất dốc.
Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương
đối được tính như sau:
**
0
()
2
0
os os( ) sin sin( )
0 0 0 0

22
m
I i d
dd
m
cc





     






     



(1-13)

Trong trường hợp ngược lại khi giữ
onst
0
c



và giảm dần E, góc dẫn λ sẽ
dài dần ra và khi
2/m


thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục (xem hình
1.6b) giá trị đó của sđđ E (tương ứng
/
2
EU
m


) ứng với trạng thái biên giới liên
tục và có thể tìm được nó nếu đặt
2/m


vào (1-12) và (1-13)

os os( 2 / )
00
sin os
2/
c c m
mm
c
blt
m
  


  


(1-14)
22
*
os os( ) sin( )sin
0 0 0 0
2
m
I c c
blt
m m m
  
   



    




(1-15)
Mặt khác vì
0
2 m



  
nên
*
( sin os )sin
m m m
Ic
blt
m



(1-16)
2
( sin os )sin
U
m m m
m
Ic
blt
Lm
e

  

(1-17)


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

- 16 -

Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián
đoạn ta tính
osc

từ (2-16) và tính sinα từ (2-17) và vì
22
os sin 1c


nên:

*
22
( ) ( ) 1
sin sin os
I
blt blt
m m m m m
c
mm

  


(1-18)

1.2. Phân tích sóng hài bậc cao
Để thấy được sóng hài bậc cao của hệ T – Đ ta phân tích mô hình Three -
phase Thyristor Converter với tải tương đương động cơ một chiều trong matlab -
simulink. Ta có mô hình như hình 1.7:

Synchronization Voltages
DC motor equivalent circuit
Three-Phase Thyristor Converter
220 V rms L-L
3-phase Source
Use the Powergui FFT tool to display
the spectrum of Scope signals stored in
the 'psbconverter_str' structure.
Continuous
i
+
-
iB
i
+
-
iA
v
+
-
Vd
v
+
-
Vca
Vc
v
+
-
Vbc

Vb
v
+
-
Vab
Va
g
A
B
C
+
-
Thyristor Converter
alpha_deg
AB
BC
CA
Block
pulses
Synchronized
6-Pulse Generator
Scope
Mux
i
+
-
Id
90
Constant1
0

iA & iB
Id
Vd

Hình1.7. Mô hình chỉnh lƣu 3 pha dùng Tiristor

Do sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu mà dòng điện qua nguồn điện xoay chiều
có dạng khác sin. Phân tích đường cong dòng điện nguồn ra chuỗi Puriê ta được
đường cong hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn được gọi là sóng hài bậc nhất
dòng điện nguồn và tổng vô hạn các thành phần hình sin khác có tần số lớn hơn tần
số điện áp nguồn một số nguyên lần được gọi là các sóng hài bậc cao dòng điện
nguồn.

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

- 17 -
Hệ truyền động T - Đ sử dụng bộ chỉnh lưu dùng thyristor là phần tử phi tuyến
gây nên sóng điều hòa bậc cao.
Khi động cơ làm việc sự có mặt của thyristor sẽ làm cho tín hiệu nguồn bị méo
so với tín hiệu hình sin. Dòng điện phía lưới không sin và chứa các thành phần sóng
điều hòa bậc cao .Đặc biệt là các thành phần bậc 5 và 7. Nó được biểu hiện bằng hệ
số méo dạng THD.
Hệ số méo dạng dòng điện:
2
2
1
I
n
n
THD

I





Trong đó :
1
I
: Biên độ thành phần dòng cơ bản
I
n
: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
Theo phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
ta sẽ tính được hệ số THD
Các kết quả mô phỏng dòng điện nguồn khi thay đổi góc điều khiển 
Trường hợp 1: Góc điều khiển  = 0
0

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-100
0
100
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0

2
4
6
8
10
12
14
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 193.4 , THD= 14.51%
Mag (% of Fundamental)

Hình 1.8. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 0
0
)

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

- 18 -
Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 0
0
thì hệ số
méo dạng THD = 14.51%
Trường hợp 2: Góc điều khiển  = 60
0

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-40
-20
0
20
40
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0
5
10
15
20
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 50.32 , THD= 28.82%
Mag (% of Fundamental)

Hình 1.9. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 60
0
)

Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 60
0
thì hệ
số méo dạng THD = 28.82%
Trường hợp 3: Góc điều khiển  = 90

0


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

- 19 -
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
0
2
4
6
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 0.4017 , THD= 144.45%
Mag (% of Fundamental)

Hình 1.10. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 90
0

)

Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 90
0
thì hệ
số méo dạng THD = 144.45%
Theo các kết quả trên ta thấy : Sóng hài bậc cao phụ thuộc vào sự thay đổi góc
điều khiển , góc điều khiển  càng lớn thì độ méo dạng của dòng điện do sóng hài
bậc cao gây ra càng lớn.
1.3. Dòng điện gián đoạn
Theo phân tích về dòng điện gián đoạn trên ta thấy rằng hiện tượng gián đoạn
xảy ra phụ thuộc vào một trong các yếu tố sau đây
- Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích
lũy trong mạch khi dòng điện tăng (
2
2
I
L
) không đủ duy trì tích chất liên tục của
dòng điện khi nó giảm dẫn đến hiện tượng dòng điện trở về không trước khi van kế
tiếp bắt đầu dẫn.

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

- 20 -
- Dòng điện gián đoạn xảy ra phụ thuộc vào suất điện động (sđđ):
Theo công thức 1-12 ta có:





)cos(cos 

oo

+ Nếu ta giữ nguyên góc điều khiển α
o
= const nhưng tăng dần sđđ E của động
ở (ε) thì góc dẫn λ sẽ giảm dần và khi E = U
2m
.sinα
o
thì λ = 0 tức là không có dòng
chảy trong mạch. Lúc này mômen động cơ cũng sẽ bằng không, động cơ bị giảm
tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại xuất hiện trong mạch nhưng tương ứng với
tốc độ thấp hơn. Vì thế, ở chế độ dòng điện gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ trở
nên rất dốc.
+ Nếu ta giữ α
o
= const và giảm dần E, góc dẫn λ sẽ dài dần ra và khi λ = 2л/m
thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục ,giá trị đó của sđđ E (tương ứng ε =
E/U
2m
) ứng với trạng thái biên giới liên tục.
- Hiện tượng gián đoạn xảy ra còn phụ thuộc vào điện cảm L và số xung áp đập
mạch xoay chiều m
Theo công thức 1-18 ta tìm được biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và
vùng dòng điện gián đoạn :
*
22

( ) ( ) 1
sin sin cos
blt blt
I
mm
m m m

  




Đây là đường elip với các trục là trục tọa độ của các đặc tính cơ. Elip này tạo
thành biên liên tục của vùng dòng điện gián đoạn như sau: Phía trong vùng elip là
vùng dòng điện gián đoạn còn phía ngoài elip là vùng dòng điện liên tục.
Tập hợp các điểm trạng thái biên [ω
blt
, I
blt
] khi thay đổi góc điều khiển α =
0 π gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ, là đường cong nét
đứt trên hình 1.21. Trong đó hình 1.21b là đặc tính động cơ tương đương nhưng
chỉnh lưu là hình cầu ba pha (m=6) và điện cảm L lớn gấp 5 lần. Từ đó ta thấy rõ
tác dụng thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn của việc tăng các thông số m,L của
mạch phần ứng. Tuy nhiên việc tăng số xung m kéo theo tăng độ phức tạp của mạch
lực và mạch điều khiển chỉnh lưu, còn khi tăng điện cảm L kéo theo là xấu quá trình
quá độ và làm tăng trọng lượng kích thước của hệ thống.

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

- 21 -

Hình 1.11. Ảnh hƣởng của m,L khi chỉnh lƣu
a) ba pha hình tia, b) ba pha hình cầu
1.4. Quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ
Như ta đã biết khi đảo chiều quay động cơ hệ truyền động cần phải giải
phóng động năng tích lũy của phần cơ ở chiều đang quay. Khi tốc độ động cơ
giảm về không hệ truyền động sẽ khởi động theo chiều ngược lại. Điều này có
nghĩa là truyền động cần qua chế độ hãm và nó sẽ chuyển trạng thái làm việc
qua ba góc phần tư. Đối với hệ T – Đ có đảo chiều quay cần thực hiện chế độ
hãm tái sinh ở vùng tốc độ cao và hãm ngược ở vùng tốc độ thấp.
Do chỉnh lưu Tiristo chỉ dẫn dòng theo một chiều và nó chỉ điều khiển được khi
mở, còn khóa phụ thuộc vào điện áp lưới. Nên hệ T – Đ đảo chiều khó khăn và
phức tạp do đó hệ T –Đ đảo chiều cần tuân theo một quy trình logic chặt chẽ
tránh 2 bộ đều có xung mở gây ngắn mạch.
Ta phân tích quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi
điều khiển riêng.
1.4.1. Mạch lực
Bộ biến đổi điều khiển riêng gồm 2 bộ biến đổi mắc song song và ngược chiều
nhau. Việc điều khiển cho hai bộ biến đổi là độc lập với nghĩa: người ta tách
phát xung điều khiển cho hai bộ biến đổi - tức là khi một bộ làm việc thì bộ kia
bị khóa hoàn toàn.


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

- 22 -

Hình 1.12. Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng
Trong đó mạch lực gồm 6 cặp tiristor đấu song song ngược làm thành hai
bộ biến đổi: một bộ làm việc với chiều quay tthuận của động cơ còn bộ kia làm
việc theo chiều ngược. Mạch điều khiển hai bộ được điều khiển bằng hai khóa
1
K
,
2
K
. Giả sử động cơ làm việc bình thường ở chiều thuận bộ BBĐ_1 làm việc
ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ nhất, BBĐ_2 khóa hoàn toàn. Ngược lại ở
chế độ ngược thì BBĐ_2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu trong góc phần tư thứ 3
trong khi BBĐ_1 khóa hoàn toàn.
Khi truyền động đảo chiều hoặc giảm tốc sẽ thực hiện ở góc phần tư thứ
2 do BBĐ_2 đảm nhận hay ở góc phần tư thứ 4 do BBĐ_1 đảm nhận. Tuy
nhiên việc thực hiện chuyển từ BBĐ_1 và BBĐ_2 cho nhau phải thực hiện qua
điều kiện logic chặt chẽ.
1.4.2. Phân tích đảo chiều
Giả sử hệ đang làm việc ở chiều thuận với BBĐ_1 khi có lệnh đảo chiều
sang chiều ngược. Tín hiệu điều khiển
dk

U
giảm và đổi dấu từ dương sang âm
làm góc điều khiển tăng đến
2



,
1d
E
giảm và đổi dấu. Điều này dẫn đến
dòng điện giảm về không, cắt phát xung cho BBĐ_1. Khi đảm bảo
dk
U
ở đầu
mút nghịch lưu, đóng phát xung cho BBĐ_2, hệ sẽ hãm tái sinh. Quá trình đảo
U
®k
K
1
K
2
FX
1
FX
2
I
d1
I
d2

B
1
B
2
+
-

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

- 23 -
chiều tuân theo luật logic điều khiển chặt chẽ nhằm tránh hai bộ cùng làm việc
(sẽ gây ngắn mạch). Chính vì vậy mà hệ T-Đ điều khiển riêng cần có mạch
logic điều khiển.
Logic điều khiển
Ta định nghĩa các đầu vào- ra của khối logic điều khiển:
Các đầu vào:

1
L
: lệnh đảo chiều
+
1
L
=1: chiều thuận.
+
1
L
=0: chiều ngược.

2

L
: trạng thái dòng điện
+
2
L
=1: dòng
0
d
I 

+
2
L
=0: dòng
0
d
I 


3
L
: trạng thái bộ biến đổi
+
3
L
=1: chỉnh lưu.
+
3
L
=0: nghịch lưu.

Các đầu ra:

1
K
: đóng cắt BBĐ_1
+
1
K
=1: đóng.
+
1
K
=0: cắt.

2
K
: đóng cắt BBĐ_2
+
2
K
=1: đóng.
+
2
K
=0: cắt.
Mạch logic cơ bản gồm 5 khối vào ra để đảm bảo hãm đảo chiều. Tuy vậy
trong thực tế có nhiều đầu vào- ra khác nữa phục vụ cho vận hành cả hệ trong
quá trình làm việc.

K1

K2
L1
L2
L3
LOG

Hình 1.13. Mô hình khâu LOG

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

- 24 -
Hình 1.14. Diễn biến quá trình đảo chiều.
Diễn biến quá trình đảo chiều

Hệ chuyển trạng thái làm việc qua ba góc phần tư và xảy ra qua 5 giai đoạn.
+ Giai đoạn 1 (ở góc phần tư thứ nhất): quá trình giảm điện áp chỉnh lưu,
dòng điện giảm về không và khóa BBĐ_1.
+ Giai đoạn 2: thời gian chết
0
T
, động cơ quay tự do. Mục đích của giai
đoạn này là kiểm tra chắc chắn BBĐ_1 đã khóa an toàn. Bởi vì mạch đang làm
việc ở vùng dòng điện gián đoạn cho nên khi logic báo
0
d
I 
chưa chắc
BBĐ_1 đã khóa hoàn toàn. Vì vậy
0
T
được tính bằng thời gian dẫn của tiristo

0
20
()T ms
m

, m là số xung chỉnh lưu.
0
0

0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1 2 3 4 5
E
d1
E
dII
E
E
E
d
E
E
d
E
I
d
T
o
Giai ®o¹n
E
d

E
L
1
L
2
L
3
K
1
K
2
t
t
t
t
t
t
Gãc phÇn tø I Gãc phÇn tø II
Gãc phÇn tø III