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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN
4 GĨC PHẦN TƢ - ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ

Ngành

: TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã số

:23.04.3898

Học viên

: NGUYỄN MẠNH CƢỜNG

Ngƣời HD Khoa học

: TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

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

NGUYỄN MẠNH CƢỜNG

THÁI NGUYÊN - 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Nguyễn Mạnh Cường

Ngày tháng năm sinh: Ngày 14 tháng 04 năm 1983
Nơi sinh:

Gang Thép - Thái Nguyên

Nơi công tác:

Trường Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

Cơ sở đào tạo:

Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - Thái Ngun

Chun ngành:

Tự động hóa

Khóa học:

K12-TĐH

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4

GĨC PHẦN TƢ - ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh
Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên
GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

HỌC VIÊN

TS. Trần Xuân Minh

Nguyễn Mạnh Cường

DUYỆT BAN GIÁM HIỆU

KHOA SAU ĐẠI HỌC


LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...….
Lời cam đoan ……………………………………........………………...…….
Mục lục …………………………………………….......……………...…......
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...………
Danh mục các bảng ……………………………………………..........………
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....………
Mở đầu…………………………………………………....….......…...………

1

Chƣơng 1- TỔNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

3

1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều …….....……..

3

1.1.1. Giới thiệu chung ………………………………………….............…

3

1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ …............

3

1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ …….....…....…..

5

1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……..............……….

6

1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất …......……………..

7

1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………........…………..

7

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp …………………………….........……………..

10

1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ …………………......……………………….

16

1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thơng thường …….........……………

16

1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) ………….............………….

19

Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM
2.1.Khái quát về chỉnh lƣu PWM ..............................................................

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



21
21

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

22

2.3. Mơ tả tốn học chỉnh lƣu PWM …………………......……….……….

25

2.3.1. Mơ tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM ………...………......………

26

2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha …..........……

27

2.3.3. Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  ..........

28

2.3.4. Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d – q ….........…

29

2.3.5. Tính tốn cơng suất chỉnh lưu PWM ………………….........……….

30

2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……...….....……..

31

2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ………………........………

31

2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm …………………........………

31

2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………...…..………..

33

2.5.1. Ước lượng vector điện áp đầu vào ………...…………......………….

34

2.5.2. Ước lượng vector từ thông ảo …………………....……….....………

34

2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………..............……….

37

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

39

2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp
dựa vào dòng điện (VOC) ……………..........................................……………

39

2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC …………........…..

40

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

41

2.8.1. Ước lượng công suất theo vector điện áp ……….........……………..

43

2.8.2. Ước lượng công suất theo vector từ thông ảo ….........………………

44

2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lưu PWM ………………..............................………………………….........….

45

2.8.4. Bộ điều khiển cơng suất ………………………........……………….

46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt.....................................

48

2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………….........……………………

49

2.9. Mơ phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu tích cực PWM .............

50

2.9.1. Xây dựng chương trình mơ phỏng chỉnh lưu PWM.....................

50

2.9.2. Kết quả mô phỏng chỉnh lưu PWM

52

Chƣơng 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ
CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -

53

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3.1. Giới thiệu chung động cơ khơng đồng bộ ...................................

53

3.2. Mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ...........................

54

3.2.1. Mơ hình tốn học nhiều biến của động cơ khơng đồng bộ ba pha

54

3.2.2. Mơ tả tốn học động cơ khơng đồng bộ ..............................

56

3.2.3. Phép chuyển đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi.........................

56

3.2.4. Mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ theo định hướng từ
trường

60

3.3. Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector

61

3.3.1. Mơ hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng bộ

62

3.3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vector...................................

63

3.3.3. Phương trình điều khiển vector....................

64

3.4. Hê thống truyền động biến tần 4Q-ĐK ............

65

3.4.1. Sơ đồ khối của hệ thống truyền động biến tần 4Q-ĐK

65

3.4.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q-ĐK

66

3.4.3. Chọn phương pháp điều khiển chỉnh lưu cho hệ truyền động..........

66

3.4.4. Chọn cấu trúc điểu khiển nghịc lưu .......................................

68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN 4Q VÀ ĐỘNG CƠ

70

KHƠNG ĐỒNG BỘ
4.1. Xây dựng sơ đồ mơ phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab

70

4.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống

72

4.2.1Mơ phỏng q trình khởi động và chế độ hãm tái sinh của động cơ

72

4.2.3. Mô phỏng q trình khởi động có tải và điều chỉnh tải nhảy cấp để
động cơ chuyển động sang hãm tái sinh

74

4.3. Kết luận ......................................................................................................

75

Kết luận và kiến nghị ........................................................................................

76

Tài liệu tham khảo ............................................................................................

78

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT


Góc pha của vector chuẩn



Góc pha điều khiển phần chỉnh lưu PWM



Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lưu PWM



Góc pha giữa dịng điện và áp



Vận tốc góc

A

Từ thơng stator pha A

B

Từ thông stator pha B

C

Từ thông stator pha C

x*

Giá trị đặt

L

Vector từ thông ảo

L

Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

L

Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Ld

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

Lq

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

cos

Hệ số công suất cơ bản

C

Tụ điện

ĐB

Động cơ đồng bộ ba pha

DPC

Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)

f

Tần số

FOC

Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)

i(t), i

Giá trị dòng điện tức thời

iA, iB, iC Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator
ia, ib, ic

Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor

idc

Giá trị dòng điện một chiều

IL

Vector dòng điện lưới

iLa,b,c

Dòng ba pha A, B, C của lưới điện xoay chiều phần chỉnh lưu PWM

iL

Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iL

Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iLd

Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q

iLq

Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q

id

Thành phần trục d của vector dòng stator động cơ

iq

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

Mơ men qn tính

L

Giá trị điện cảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




M

Mô men, mô men động cơ

Mc

Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)

Mđt

Mô men điện từ động cơ

Mđm

Mô men định mức

Mmax

Mô men cực đại

np

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

Tốn tử Laplace

S

Cơng suất biểu kiến

Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
t

Giá trị thời gian tức thời

T

Chu kỳ

UL

Vector điện áp lưới

uL

Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uL

Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uLd

Thành phần trục d của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uLq

Thành phần trục q của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

Us

Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM

us

Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




toạ độ  - 
us

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

usd

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

usq

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

Udc

Điện áp một chiều

Va, b, c

Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ

VFOC

Điều khiển định hướng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented
Control)

VOC

Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control)

W, Wđt Năng lượng, năng lượng điện từ
4Q

Bốn góc phần tư (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

48

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

49

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ...........……......

7

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

8

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin….……………………………..………………......................……………..

9

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

10

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp…………………………………………..........

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều………….............

12

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector……………………….........………….

15

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài).............

17

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều …..............

18

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………..............................……...

18

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM……............…

22

Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM……........……..

23

Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………............………..

24

Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cơng suất bằng 1..........

24

Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1
(nghịch lưu)……………………………………...............…………………………...

24

Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ………………………………………..................................

24

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

25

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

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

26

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

27

Hình 2.6: Mơ hình tốn học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ -……….......….

29

Hình 2.7: Mơ hình tốn học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q……….........….

30

Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ……………………........……...

31

Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM…………........…....

32

Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………………..........

33

Hình 2.10: Mơ hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thơng ảo với chỉnh lưu
PWM…………………………………….................….........…………………………

35

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thơng ảo với dịng cơng suất của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chỉnh lưu PWM …………………………………………….................……………

36

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thơng ảo………........……….....

37

Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM………………...….....

38

Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu
PWM với các phương pháp điều khiển ………………........................…….........

38

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

39

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

40

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

40

Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……….....……….....

42

Hình 2.19: Khâu ước lượng cơng suất và điện áp ………………..........……......

43

Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L …………………..…………......

44

Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị cơng suất tức thời ……………........……….......

46

Hình 2.22: Bộ điều khiển cơng suất …………………………………..……….......

47

Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC……....……....

48

Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………...........………………………

50

Hình 2.25: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo DPC

51

Hình 2.26: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mơ hình hình 2.25

51

Hình 2.27: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo DPC

52

Hình 2.28: Điện áp và dòng điện pha a của lưới tương tứng với tải điện trở và
điện cảm. Tại thời điểm (t=0.6) thay đổi tải
Hình 2.28: Điện áp và dịng điện pha a của lưới tương tứng với tải điện trở.Tại
thời điểm (t=0.6) thay đổi tải.

52
52

Hình 3.1: Mơ hình vật lý động cơ khơng đồng bộ 3 pha

54

Hình 3.2: Mơ hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực

57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 3.3: Mơ hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mơ hình tương

58

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ

62

Hình 3.5Cấu trúc hệ thống điều khiển vector dùng chỉnh lưu PWM...

63

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điện biến tần 4Q – ĐK

65

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng b ba pha

65

Hình 3.8: Các ph-ơng pháp điều khiển chỉnh l-u PWM..............................

66

Hình 3.9: Cấu trúc điều khiển chỉnh l-u PWM theo DPC..................................

67

Hình 3.10: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thơng rotor

68

Hình 4.1: Sơ đồ mơ phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ khơng đồng

70

Hình 4.2: Khối INVERTER

71

Hình 4.3: Khối INVERTER Motor

71

Hình 4.4 Khối SubSystem

71

Hình 4.5 Khai triển chi tiết khối PMW trong SubSystem

72

Hình 4.6: 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)

72

Hình 4.7: Điện áp và dịng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyểnchế độ làm việc của
động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái sinh
Hình 4.8:Dịng điện và điện áp đầu vào khi động cơ khi khởi động và điều chỉnh
giảm tốc từ 100 rad/s xuống 60 rad/s trong thời gian 1(s) sau đó tăng nên 80
rad/s sau thời gian 1.1(s)
Hình 4.9: 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=0.5s) để chuyểnchế độ làm việc của động
cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái sinh

73

73

74

Hình 4.10: 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

75

Hình 4.11: Dòng 3 pha trên 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=0.5s)

76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

1

Chuyên ngành Tự động hoá

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đã góp phần
thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện xoay chiều và nó
đã dần từng bƣớc thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều.
Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động
điện xoay chiều thƣờng sử dụng bộ chỉnh lƣu điốt và do vậy khơng có khả năng trả
năng lƣợng về lƣới. Vấn đề hãm trong các hệ truyền động nhƣ vậy đƣợc thực hiện
bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lƣợng. Vì vậy, trong các hệ thống truyền
động điện mà động cơ thƣờng làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lƣợng
trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn. Để tiết kiệm năng lƣợng, tăng chất lƣợng
điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc đƣợc ở
các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh. Biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi
là biến tần 4 góc phần tƣ (biến tần 4Q).
Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trƣởng Khoa Điện

Trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề
tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần
tư - Động cơ khơng đồng bộ”.
Kết cấu của luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều.
Chương 2: Nghiên cứu về chỉnh lƣu PWM.
Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lƣu và cấu trúc hệ truyền
động biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm matlab.
Kết luận và kiến nghị.
Đề tài đã đƣợc hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân cịn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thầy cơ giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh, ngƣời đã ln

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

2

Chuyên ngành Tự động hoá

quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực
hiện luận văn.
Tuy nhiên các vấn đề đƣợc đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn
khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các
thầy cơ giáo và các bạn đồng nghiệp.

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày

tháng năm 2011

Tác giả

Nguyễn Mạnh Cƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

3

Chuyên ngành Tự động hoá

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất ngƣời ta sử dụng các
động cơ làm cơ cấu chấp hành và thƣờng dùng là động cơ điện một chiều. Nhƣng
loại động cơ này có nhiều nhƣợc điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phƣơng
án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng
nhƣng còn tồn tại nhiều hạn chế. Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển

hiện đại, trên cơ sở ứng dụng các thành quả của công cuộc cách mạng khoa học kỹ
thuật đã tạo ra những bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều
đã trở thành một đối tƣợng điều khiển có ƣu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động
điện đã sử dụng động cơ xoay chiều nhƣ một đối tƣợng thân thiện có nhiều ƣu điểm
vƣợt trội.
Động cơ điện xoay chiều bao gồm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và
động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều khơng đồng bộ có động cơ
rotor lịng 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 khơng hồn tồn giống
nhau.
1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ khơng đồng bộ có rất nhiều phƣơng pháp 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành Tự động hoá

4

(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...
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức:

n = (1-s)n1 = (1-s).60f1/p

(1-1)

Trong đó:
f1- tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato (mạch phần ứng)
p- Số đôi cực.
Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ khơng đồng bộ đƣợc phân thành hai
nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển. Thiết bị biến tần
độc lập tạo cho động cơ không đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ
thống điều tốc biến tần điều khiển ngồi, thiết bị dùng bộ đo kiểm vị trí roto trên
trục động cơ để điều khiển phát xung gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển.
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều
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

A
C
~

thể biến đổi nguồn điện xoay

chiều có điện áp và tần số
khơng đổi thành điện áp
xoay chiều có điện áp và tần
số điều chỉnh đƣợc. Do quá

3
1

A

Biến tần
xoay chiều - xoay
chiều

U Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp
(xoay chiều - xoay chiều)

,

~
3

U
2

,
f

f

2

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

C




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

5

Chun ngành Tự động hố

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).

Sơ đồ chỉnh
lƣu thuận

U
3
f1, U1

Sơ đồ chỉnh
lƣu ngƣợc

Tải

3
f1,
U1

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

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm là cơng suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, tuy
nhiên có một số nhƣợc điểm sau:
+ 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 khơng do tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khơng cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chun ngành Tự động hố

6

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.
Chỉnh lƣu

f1,U1

Ngịch lƣu

Lọc
i


=

Ud

+

f2,U2

=

C 

-

0

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp

A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

3
f1, U1

Chỉnh lƣu

Nghịch lƣu

Lọc

điều khiển

 3
f2, U2

a

3
f1, U1

Chỉnh lƣu
không
điều khiển

Lọc 1

Bộ biến
đổi xung
điện áp

Lọc 2

Nghịch lƣu

3
f2, U2

Nghịch lƣu
PWM

3
f2, U2

b
3
f1, U1

Chỉnh lƣu
khơng
điều khiển

Lọc

c

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 khơng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

7

Chuyên ngành Tự động hoá

B. Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
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 cơng 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 cơng 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 (dịng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo ra
nhiều sóng hài bậc cao trong dịng điện động cơ, dẫn tới mơ men biến động khá lớn
ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp.
Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :
(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu cơng suất điều khiển đƣợc, đơn giản hố
cấu trúc, hệ số cơng 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 mơ men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ
của hệ thống truyền động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành Tự động hoá

8

D. Biến tần điều khiển vector
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.
3
f1, U1

Chỉnh lƣu
điều khiển

Nghịch lƣu
điều khiển
vector

Lọc

3
f2, U2

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector
1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thơng thường

υ = 5 ÷ 13

υ=5 7

11

13

a

>17

b

Hình 1.8: Các bộ lọc để )giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ
) số sóng hài)

A
B

ĐK

Cl

C
Chỉnh
lƣu

Tr

Rh

Nghịch lƣu

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

9

Chuyên ngành Tự động hoá

1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q)
Các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện
nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ
nghịch để giải phóng năng lƣợng dƣ của động cơ còn tồn tại những vấn đề nhƣ: hệ
thống cồng kềnh, đầu tƣ lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi cơng suất hệ lớn thì điều
chỉnh khó khăn. Với chỉnh lƣu diode chỉ cho phép năng lƣợng chảy theo một chiều
và không điều khiển đƣợc. Sự thay đổi của năng lƣợng sẽ xuất hiện một cách tự
nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng
lƣợng cần đƣợc điều khiển. Thậm chí đối với tải địi hỏi điện áp khơng đổi hay dịng
điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải.
Chỉnh lƣu thyristor có thể điều khiển đƣợc dịng năng lƣợng bằng cách thay đổi góc
điều khiển (góc mở) của thyristor. Bộ biến đổi này cịn có thêm khả năng biến đổi
năng lƣợng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lƣu. Khi góc
điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, cịn khi góc
điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lƣu và năng
lƣợng từ phía một chiều đƣợc chuyển về lƣới xoay chiều. Tuy nhiên, khi sử dụng
thêm một nghịch chỉnh lƣu bằng thyristor mắc song ngƣợc với bộ chỉnh lƣu, ngoài
nhƣợc điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, cịn có thêm nhƣợc điểm là dịng điện
qua lƣới chứa nhiều sóng điều hồ bậc cao làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện
năng và làm giảm hệ số công suất. Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có
u cầu cao về chất lƣợng động, ví dụ nhƣ độ tác động nhanh cao, khi đó yêu cầu
động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Với một số hệ thống
truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó u cầu động cơ trong hệ thống
phải làm việc đƣợc ở cả bốn góc phần tƣ, tức là ngoài chế độ động cơ ra thì phải
làm việc đƣợc ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc đƣợc ở chế độ hãm tái
sinh. Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tƣ thì thì u cầu bộ biến tần phải
có khả năng thực hiện trao đổi đƣợc năng lƣợng hai chiều. Các bộ biến tần nhƣ vậy
đƣợc gọi là biến tần bốn góc phần tƣ. Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã
thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

10

Chuyên ngành Tự động hoá

tƣ. Khối nghịch lƣu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin
(SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều có thể thực hiện trao đổi cơng suất
hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngƣợc lại. Nhƣ vậy, để bộ biến tần có
thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều thì vấn đề cịn lại là khối chỉnh lƣu cũng
phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu
cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lƣu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc
song ngƣợc, một sơ đồ đƣợc dùng để chỉnh lƣu khi cần thực hiện biến đổi năng
lƣợng điện xoay chiều từ phía lƣới thành năng lƣợng điện một chiều cấp cho khối
nghịch lƣu, còn sơ đồ kia sẽ đƣợc điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu khi cần
biến đổi năng lƣợng điện từ phía một chiều (năng lƣợng từ động cơ đƣợc khối
nghịch lƣu làm việc ở chế độ chỉnh lƣu chuyển sang) thành năng lƣợng điện xoay
chiều trả lại lƣợng điện xoay chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh
lƣu rất cồng kềnh, dịng điện qua lƣới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ
khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều chỉnh sâu. Nhƣ vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là
phải nghiên cứu tìm ra đƣợc một khối chỉnh lƣu có các ƣu điểm:
- Giảm đƣợc biên độ các sóng điều hồ bậc cao dịng điện lƣới.
- Hệ số cos cao.
- Có khả năng trao đổi cơng suất theo hai chiều.

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên. Luận văn sẽ
tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu tích cực PWM.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

21

Chuyên ngành Tự động hoá

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đã
góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện
xoay chiều và nó đã dần từng bƣớc thay thế một phần lớn hệ thống truyền
động điện một chiều.
Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền
động điện xoay chiều thƣờng sử dụng bộ chỉnh lƣu điốt và do vậy khơng có
khả năng trả năng lƣợng về lƣới. Vấn đề hãm trong các hệ truyền động nhƣ
vậy đƣợc thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lƣợng. Vì vậy,
trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thƣờng làm việc ở chế độ
hãm thì việc tiêu tán năng lƣợng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn. Để
tiết kiệm năng lƣợng, tăng chất lƣợng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần
đảm bảo cho phép động cơ làm việc đƣợc ở các trạng thái hãm khác nhau mà
đặc biệt là hãm tái sinh. Biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần 4 góc phần tƣ
(biến tần 4Q).
Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trƣởng Khoa

Điện Trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành
nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện
biến tần 4 góc phần tƣ - Động cơ khơng đồng bộ”.
Kết cấu của luận văn gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều.
Chƣơng 2: Nghiên cứu về chỉnh lƣu PWM.
Chƣơng 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lƣu và cấu trúc hệ
truyền động biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ.
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm matlab.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN