Nghiên cứu và thử nghiệm thiết kế bộ biến tần nguồn áo điều khiển động cơ bldc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT KẾ
BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC

Sinh viên thực hiện

: HOÀNG VĂN TUẤN
Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S ĐINH VĂN NAM

Nghệ An, 05-2017

i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT KẾ
BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC

Sinh viên thực hiện

: HOÀNG VĂN TUẤN
Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S ĐINH VĂN NAM
Cán bộ phản biện

: K.S TRẦN ĐÌNH DŨNG

Nghệ An, 5-2017

ii


LỜI NĨI ĐẦU
Điều khiển và tự động hóa là một ngành khoa học đa nhiệm vụ ngành đã đáp
ứng những địi hỏi khơng ngừng từ các lĩnh vực cơng-nơng-lâm-ngư nghiệp cho đến
các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày.
Một trong những ứng dụng quan trọng của cơng nghệ của ngành điều khiển
và tự động hóa là thiết kế điều khiển động cơ, đặc biệt là nghiên cứu thiết kế điều
khiển tốc độ động cơ một chiều khơng chổi than hoạt động tốt nhất.
Ở nước ta có nhu cầu cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nên ngày càng
xuất hiện nhiều sản phẩm có mức độ tự động hóa cao với hệ truyền động hiện
đại.việc xuất hiện các hệ truyền động hiện đại đã thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu,

đào tạo ngành tự động hóa ở nước ta tiếp thu khoa học kỹ thuật hiện đại nhằm tạo ra
những hệ truyền động mới và hoàn thiện những hệ ruyền động cũ.
Em xin chân thành cản ơn quý thầy cô trường ĐẠI HỌC VINH đã tận tình
dạy em trong suốt nhưng năm qua trong đó phải nói tới q thầy cơ VIỆN KỸ
THUẬT VÀ CƠNG NGHỆ đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em xin cảm ơn người hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình chọn
đề tài và thực hiện đề tài. Mặc dù đã cố gắng nhưng ko tránh được những sai sót,
em rất mong được sự chỉ dẫn thêm của quý thầy cô.
Sinh viên thực hiện
HOÀNG VĂN TUẤN

i


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Trong đồ án này đã trình bày tổng quan về nghiên cứu thiết kế điều khiển
động cơ BLDC (một chiều không chổi than) sử dụng phương pháp DSP .
Sử dụng vi xử lý DSP nhằm thực hiện hiệu quả hơn một số thao tác nào đó. Về
sơ lược thì DSP sẽ có phần cứng và tập lệnh được tối ưu hóa, để phục vụ cho những
ứng dụng xử lý số liệu và đáp ứng thời gian thực cho các tín hiệu tương tự từ mơi
trường.Từ đó đưa ra bài toán về điều khiển tốc độ động cơ và áp dụng nhiều trong khoa
học.

ABSTRACT
This project has presented an overview of BLDC (brushless direct current)
design research using the DSP method. Uses DSP processors to perform some more
effective operations. Briefly, DSPs will have optimized hardware and scripts to
serve real-time data processing and response applications for analogue signals from
the environment.Since then, the problem of motor speed control has been
introduced and applied in science.

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ................................................................................................... ii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG............................................................1
1.1. Giới thiệu động cơ BLDC ...............................................................................1
1.1.1. Tổng quan về động cơ BLDC ..................................................................1
1.1.2. Cấu tao động cơ BLDC ............................................................................1
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC ................................................4
1.1.4. Ưu nhược điểm động cơ BLDC ...............................................................8
1.2. Cơ sở biến tần ..................................................................................................9
1.2.1. Tổng quan về máy biến tần ......................................................................9
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần ...........................................................9
1.2.3. Phân loại biến tần ...................................................................................10
1.2.4. Các phương pháp điều khiển máy biến tần ............................................13
1.3. Giới thiệu về vi xử lý DSP ............................................................................15
1.3.1. Giới thiệu chung về DSP .......................................................................15
1.3.2. Giới thiệu về DSP C2000 TMS320F2802X ..........................................19
1.3.3. Một số đặc trưng trong cấu trúc phần cứng của DSP ............................20
Chƣơng 2: LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ BLDC ....................................................................................................22
2.1. Các phương pháp thông dụng trong điều khiển động cơ BLDC ...................22
2.1.1. Sơ đồ chức năng động cơ một chiều không chổi than ...........................24
2.1.2. Mô phỏng hệ thống truyền động động cơ một chiều không chổi than
(BLDC) ............................................................................................................26
2.1.3. Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển động cơ BLDC ..........................26

2.1.4. Bộ biến đổi dùng IGBT ........................................................................27
2.2. Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector) ............................28
2.3. Không gian vector và các phép biến đổi hệ trục tọa độ ................................32
2.4. Lý thuyết phương pháp FOC .........................................................................36
2.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm Matlab Simulink ...............41
iii


2.5.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab simulink .................................................42
2.3.2. Kết quả mơ phỏng ..................................................................................44
Chƣơng 3: CẤU TẠO VÀ CÁC THƠNG SỐ PHẦN CỨNG .............................45
3.1. Mạch điện tử công suất ..................................................................................45
3.1.1. Tính tốn thiết kế mạch lực ...................................................................45
3.1.2. Mạch chỉnh lưu .....................................................................................45
3.1.3. Mạch mạch nghịch lưu...........................................................................46
3.1.4. Mạch lọc một chiều ................................................................................49
3.1.5. Mạch lái..................................................................................................49
3.1.6. Mạch cách ly ..........................................................................................51
3.1.7. Mạch MOSFETS...................................................................................51
3.2. Mạch điều khiển ............................................................................................53
3.4. Một số hình ảnh thực tế .................................................................................56
KẾT LUẬN ..............................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61

iv


DANH MỤC HÌNH, BẢNG
Trang
Hình 1.1. Sức phản điện động dạng hình thang ..........................................................1

Hình 1.2. Stator động cơ BLDC ..................................................................................2
Hình 1.3. Rotor động cơ BLDC ..................................................................................2
Hình 1.4. Minh họa hoạt động Hall sensor .................................................................3
Hình 1.5. Hall sensor gắn trên stator ...........................................................................3
Hình 1.6. Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip........................................3
Hình 1.7. Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor .................................4
Hình 1.8. Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dịng điện ............................5
Hình 1.9. Mơ hình phần tử cảm biến Hall...................................................................5
Hình 1.10. Trình tự và thời điểm chuyển mạch dịng điện .........................................6
Hình 1.11. Sơ đồ ngun lý mạch lực .........................................................................7
Hình 1.12. Đặc tính cơ moment – tốc độ của động cơ BLDC ....................................7
Hình 1.13. Tổng quan về biến tần ...............................................................................9
Hình 1.14. Sơ đồ cấu tạo biến tần .............................................................................10
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp hình tia 3 pha. ..................................11
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý mạch biến tần nguồn dịng. ..........................................12
Hình 1.17. Sơ đồ mạch nguyên lý biến tần nguồn áp ba pha. ...................................12
Hình 1.18. Vi xử lý DSP ...........................................................................................15
Hình 1.19. Vai trị của DSP trong một q trình xử lý tín hiệu ................................16
Hình 1.20. Chu kỳ làm việc Của DSP .......................................................................17
Hình 1.21. Các họ DSP của hang Texas Instruments ...............................................18
Hình 1.22. Một số tính năng nổi của họ VĐK TMS320F2820X ..............................19
Hình 1.23. Cấu trúc của họ VĐK TMS320F2820X .................................................20
Hình 1.24. Tính tốn trong DSP................................................................................21
Hình 2.1. Sơ đồ chức năng động cơ một chiêu khơng chổi than ..............................24
Hình 2.2. Sơ đồ ngun lý đơn giản của động cơ một chiều không chổi than với 3
cuộn dây trên stato ....................................................................................................25
Hình 2.3. Sơ đồ khối và điều khiển động cơ BLDC .................................................26
Hình 2.4. Sơ đồ chức năng điều khiển động cơ BLDC ............................................27
v

Hình 2.5. Bộ biến đổi cơng suất dùng IGBT ...........................................................28
Hình 2.6. Đồ thị dòng pha và sđđ phản hồi của BLDC ............................................28
Hình 2.7. Sơ đồ chức năng mạch điều khiển động cơ BLDC ...................................29
Hình 2.8. Điều chế độ rộng xung. .............................................................................29
Hình 2.9. Biểu diễn vector khơng gian trong hệ tọa độ x-y ......................................30
Hình 2.10. Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa (MOSFETs hoặc IGBTs) ........39
Hình 2.11. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V .................................32
Hình 2.12. Hệ tọa độ vector khơng gian ...................................................................33
Hình 2.13. Chuyển đổi abc sang dq0, dq sang abc ...................................................33
Hình 2.14. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC ..................................................34
Hình 2.15. Hoạt động điều khiển tốc độ động cơ BLDC sử dụng FOC ...................36
Hình 2.16. Sơ đồ kiểm sốt tốc độ động cơ ..............................................................30
Hình 2.17. Dạng sóng điện áp ra ...............................................................................31
Hình 2.18. Sơ đồ mạch điện của động cơ BLDC ......................................................40
Hình 2.19. Sơ đồ mơ phỏng matlab simu link ..........................................................42
Hình 2.20. Ước lượng tốc độ ....................................................................................42
Hình 2.21. Mạch điều khiển tốc độ ...........................................................................43
Hình 2.22. Khối điều khiển dịng ..............................................................................43
Hình 2.23. Kết quả mơ phỏng Matlab Simulink .......................................................44
Hình 3.1. Sơ đồ chân của FSBB20CH60F ................................................................47
Hình 3.2. Ví dụ sơ đồ điều khiển mosfet .................................................................49
Hình 3.3. Sơ đồ khối của IC lái mosfet .....................................................................50
Hình 3.4. Sơ đồ khối của MOSFET ..........................................................................52
Hình 3.5. Sơ đồ mạch chỉnh lưu................................................................................53
Hình 3.6. Mạch chỉnh lưu .........................................................................................54
Hình 3.7. Mạch đo dịng ............................................................................................54
Hình 3.8. Mạch nghịch lưu .......................................................................................55
Hình 3.9. Hình ảnh mạch DSP trong thực tế.............................................................56
Hình 3.10. Động cơ BLDC .......................................................................................57

Hình 3.11. Cảm biến hall ..........................................................................................58
Hình 3.12. Mạch chỉnh lưu và mạch đo dòng ...........................................................58
vi


Hình 3.13. Mạch nghịch lưu .....................................................................................59
Hình 3.14. Hình ảnh tồm mạch ..............................................................................59
Hình 3.15. Dạng sóng điện áp đầu ra ........................................................................60
Hình 3.16. Dạng xung vuông trên osciilospoce ........................................................60
Bảng 3.1. Thông số động cơ. ....................................................................................45
Bảng 3.2. Tham số cơ bản của chỉnh lưu cầu 3 pha ..................................................45
Bảng 3.3. Các chân của IC FSBB20CH60F .............................................................48

vii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên tiếng Anh

Từ viết tắt
BLDC

Tên tiếng Việt
Động cơ một chiều không

Brushless DC Motor

chổi than

Back Electromotive Force

Sức phản điện động phần ứng

Proportional Integral

Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân

PWM

Pulse-width modulation

Điều chế độ rộng xung

DSP

Digital signal processing

Xử lý tín hiệu số

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

Back EMF
PI

MOSFEET

Transistor có cực điều khiển
cách ly

Metal-Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor hiệu ứng trường
Oxit Kim loại - Bán dẫn

Transistor

viii


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu động cơ BLDC
1.1.1. Tổng quan về động cơ BLDC
Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ cịn lại là
động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor).
Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để
xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ
chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v. Như nhiều người vẫn nghĩ.

Hình 1.1. Sức phản điện động dạng hình thang
1.1.2. Cấu tao động cơ BLDC
 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau)
và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay
chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình
thang mà ta thấy. Nếu khơng quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể
bỏ qua sự phức tạp này.

1


Hình 1.2. Stator động cơ BLDC

 Rotor: Về cơ bản là khơng có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh
cửu khác.

Hình 1.3. Rotor động cơ BLDC
- Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình
điều khiển thơng thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường
rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm
biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor.

2


Hình 1.4. Minh họa hoạt động Hall sensor

Hình 1.5. Hall sensor gắn trên stator

Hình 1.6. Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip
3


Dạng sóng sức phản điện động pha, dây và tín hiệu đưa về từ Hall sensor:

Hình 1.7. Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn
dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do
nam châm rôto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra.
Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau.
Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vng góc với nhau.

Trong q trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp
điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn
dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rôto quay theo.
Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ
vào chiều quay của rơto.
Thời điểm chuyển mạch dịng điện từ pha này sang pha khác được xác định
sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do q trình chuyển mạch
dịng điện là nhỏ nhất.
Ta có mômen được xác định bằng biểu thức:
Te= (eaia+ebib+ecic)/ωm

4


Trong đó:
ea,eb,ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V)
ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A)
ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s)
Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời
điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng
được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu
khơng trùng pha với sức điện động thì dịng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm
tổn hao trên stato

Hình 1.8. Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dịng điện

Hình 1.9. Mơ hình phần tử cảm biến Hall
Ur= (KhIB) /d
Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato. Khi các cực của
nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có

mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp
các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch
dịng điện giữa các cuộn dây pha stato.
5


Thơng thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stato là bố trí lệch
nhau 600 hoặc 1200 trong khơng gian. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín
hiệu logic khác nhau khi rơto quay.

Hình 1.10. Trình tự và thời điểm chuyển mạch dịng điện
Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dịng điện là thời điểm mà
một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Cũng từ hình trên thấy rằng
trong một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall. Do đó
trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước.
Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóa
mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa
theo tín hiệu Hall sensor đưa về.

6


Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ như sau:

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý mạch lực

Hình 1.12. Đặc tính cơ moment – tốc độ của động cơ BLDC
7

1.1.4. Ƣu nhƣợc điểm động cơ BLDC
Ưu điểm :
Động cơ DC khơng chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ưu điểm
của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/qn tính lớn, tỷ lệ
cơng suất trên khối lượng cao. Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên
giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn. Động cơ kích từ nam
châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên khơng tốn chi phí bảo trì chổi
than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam
châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn.
 Tỷ lệ cơng suất/khối lượng máy điện cao.
 Tỷ lệ momen/qn tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
 Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để
đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).
 Mơmen điều khiển được ở vị trí bằng khơng.
 Vận hành ở tốc độ cao.
 Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.
 Hiệu suất cao.
 Kết cấu gọn.
Nhược điểm :
Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành
cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển cơng nghệ hiện nay thì
giá thành nam châm có thể giảm. Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều
khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động
cơ để xác định vị trí rotor. Điều này làm tăng giá thành đẩu tư khi sử dụng động cơ
BLDC. Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và mơmen động cơ dễ dàng,
chính xác hơn.
Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa, khả năng tích từ khơng
cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Nhưng với

loại nam châm hiếm như hiện nay thì nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể.
8


1.2. Cơ sở biến tần
1.2.1. Tổng quan về máy biến tần
Biến tần: là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng
điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.

Hình 1.13. Tổng quan về biến tần
 Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi AC thành DC. Sử dụng bộ phận bán dẫn được biết
đến với tên gọi đi ốt.
 Tụ điện nắn phẳng: Hoạt động đẻ nắn phẳng điện áp DC đã được chuyển đổi qua
mạch chỉnh lưu.
 Mạch nghịch lưu: Được sử dụng để xuất ra điện áp AC từ điện áp DC. Thiết bị
được gọi là bộ nghịch lưu này khác với bộ chỉnh lưu về tên gọi và chức năng. Được
sử dụng đẻ cấp điện áp/tần số biến thiên được tạo ra cho động cơ. Sử dụng các bộ
phận đóng cắt bán dẫn (IGBT và bộ phận tương tự) có thể bật và tắt.
 Mạch điều khiển: Kiểm soát điều khiển, cài đặt máy biến tần.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên,
nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều
bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diot và tụ điện.
Nhờ vậy, hệ số công suất cos  của hệ biến tần đều có giá trị khơng phụ thuộc vào
tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành
điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông
9


qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ

rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực
hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm
tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

Hình 1.14. Sơ đồ cấu tạo biến tần
 Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ
và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có
một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mơ men khơng
đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại
là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mơ men là
hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men
cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
 Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ
linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng
lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
 Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau
phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ
PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thơng khác nhau, rất phù hợp cho việc
điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
1.2.3. Phân loại biến tần
 Biến tần trực tiếp
Là bộ biến tần biến đổi trực tiếp dòng điện xoay chiều từ tần số f1 sang tần
số f2 (bộ chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều), không qua bộ chỉnh lưu nên có hiệu
suất cao, tuy nhiên việc thay đổi tần số ra phức tạp và phụ thuộc tần số vào f1.
10


U1
U2
U3

1

3

5

4

2

6

A-

A+

1

3

5

4

B+

2

6

1

B-

3

5

C+

4

2

6

C-

Ut2
Ut1

M
~

Ut3

Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp hình tia 3 pha.
 Ưu điểm:
- Mạch chỉ dùng van điều chỉnh Thyristor thơng thường, qua trình chuyển
mạch theo điện áp lưới.

- Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên có hiệu suất cao.
- Có khả năng làm việc ở tần số thấp ngay cả khi có sự cố.
- Thường sử dụng cho dải cơng suất rất lớn đến vài chục MW.
 Nhược điểm:
- Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển phức tạp.
- Hệ số cơng suất thấp.
- Ít thơng dụng trong thưc tế.
 Biến tần gián tiếp
Dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một
chiều (tần số f=0), lọc rồi được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f2 qua
bộ nghịch lưu. Biến tần gián tiếp có 2 loại là biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn
áp. Hai loại này được phân biệt dựa vào khâu trung gian một chiều.
a. Biến tần nguồn dòng
Khâu trung gian một chiều là cuộn cảm Lf có chức năng là nguồn dịng cho
bộ nghịch lưu.

11


Lf

Ud2

M

~
Ud1

Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý mạch biến tần nguồn dịng.
 Ưu điểm:

- Có khả năng trả năng lượng về lưới.
- Khơng sợ chế độ ngắn mạch vì dịng điện một chiều được giữ không đổi.
- Phù hợp với dải công suất lớn trên 100 kW.
 Nhược điểm:
- Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
- Cồng kềnh do cuộn kháng.
- Hệ số công suất thấp và phụ thuộc và phụ tải nhất là khi tải nhỏ.
b. Biến tần nguồn áp
Khâu trung gian một chiều là tụ Cf có chức năng làm nguồn áp cho bộ nghịch lưu.

M

~

E
Rh

Hình 1.17. Sơ đồ mạch nguyên lý biến tần nguồn áp ba pha.
 Ưu điểm:
- Phù hợp với tải công suất nhỏ, dưới 300 kW.
- Hệ số cơng suất của mạch lớn.
- Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dịng điện do tải quy định.
- Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử
đập mạch mô men.
12


 Nhược điểm:
Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về lưới cần
mắc thêm mạch rất phức tạp.

1.2.4. Các phƣơng pháp điều khiển máy biến tần
Máy biến tần đa năng duy nhất được dùng trong các lĩnh vực công nghiệp
vào những năm 1980 là dạng máy biến tần điều khiển V/F. Sau này, các phương
pháp điều khiển Vector không cảm biến (tốc độ) được giới thiệu vào năm 1990 với
mục đích tăng mơ men xoắn trong phạm vi điều khiển tần số thấp hiệu quả hơn điều
khiển V/F. Công suất máy biến tần tăng lên đột ngột do các cải tiến và công nghệ
phần cứng và công nghệ lý thuyết điều khiền bao gồm các chất bán dẫn. Kiểm soát
Véc tơ bằng phản hồi tốc độ (Encoder) được áp dụng lần đầu đối với các động cơ
vào năm 1990 đối với các lĩnh vực cần tối điều khiển tốc độ chính xác cao.Các
phương pháp điều khiển máy biến tần điển hình được nêu trong bảng dưới đây, chủ
yếu là các phương pháp liên quan tới điều khiển tốc độ. Theo nghĩa rộng, hãy nhớ
rằng công suất và độ chính xác tăng lên khi bạn chuyển dần sang phía bên phải của
bảng biểu ở dưới phương pháp điều khiển, tuy nhiên sự linh hoạt và hiệu quả kinh tế
sẽ giảm xuống. Đối với phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ dưới
đây là một trong các phương pháp được Mitsubisshi Electric phát triển
Điều khiển Vector

Phương
pháp điều

Đặc tính V/F

khiển

Phạm vi
điều khiển
tốc độ

Độ nhạy

1:10
(6Hz đến
60Hz, Điện
lưới)
10 đến
20(rad/s)

khơng dùng cảm biến
Điều khiển theo

Điều khiển

từ thông

vector thực

Điều khiển
Vector dùng
cảm biến
1:1500

1:120

1:200

(1 vòng/phút đến

(0.5Hz đến

(0.3Hz đến

1500 vòng/phút,

60Hz, điện lưới) 60Hz, điện lưới)

điện lới, máy
phát)

20 đến 30(rad/s)

13

120 (rad/s)

300 (rad/s)


Điều khiển

Có

Có

Có

Có

Khơng

Khơng

Có

Có

Khơng

Khơng

Khơng

Có

tốc độ
Điều khiển
momen
xoắn
Điều khiển
vị trí

Với đa số các Để giải quyết vấn Ở các động cơ Phương
dạng

phương đề giả momen khơng

pháp

có này chia dịng

pháp

điều xoắn ở tốc độ Encoder,

khiển

máy thấp trong điều động điều khiển thành các phần

biến tần phổ khiển

động

cơ

V/F. đạt được thông theo từ thông và

biến, điện áp phương pháp này qua
và tần số được được

hoạt điện

sử

việc

dụng điện

tính các

phần

do

áp/dịng momen xoắn tạo

duy trì kiểm nhằm điều chỉnh điện và hằng số ta và sử điều
Sơ lược

soát ở các giá điện áp đầu ra của động cơ.

khiển từng phần

trị khơng đổi

bằng các phép

độc lập. Phương

tính vector cho

pháp

này cho

dịng điện động

phép

momen

cơ.

xoắn và vị trí
được điều khiển
ở độ chính xác
cao và độ nhạy
cao.

Phương
này
Đa năng

cực

pháp Phương pháp này
kỳ cần một động cơ

linh hoạt đối bất
với các động nhiên

biến,

tuy

cấu

tạo

cơ tiêu chuẩn mạch tương đối
có ít bộ phận đơn giản do có ít
14

Phương

pháp Phương

pháp

này cần có một này cần có một
hằng

số

của động

cơ

gắn

động cơ và điều encoder và điều
chỉnh độ lợi

khiển độ lợi


điều khiển

bộ

phận

điều

khiển
Động cơ có điều
Động cơ có Động
thể sử dụng thường

cơ

khiển
Động cơ thường

Động cơ thường chuyên
gắn

vector
dụng,
encoder

phản hồi
1.3. Giới thiệu về vi xử lý DSP
1.3.1. Giới thiệu chung về DSP
DSP đơn giản là một loại vi xử lý đặc biệt. Chúng cũng có tất cả các bộ phận cơ
bản như: CPU, bộ nhớ, tập lệnh, các bus … Điểm khác biệt chủ yếu là ở chỗ: các thành
phần này được điều chỉnh nhằm thực hiện hiệu quả hơn một số thao tác nào đó. Về sơ
lược thì DSP sẽ có phần cứng và tập lệnh được tối ưu hóa, để phục vụ cho những ứng
dụng xử lý số liệu và đáp ứng thời gian thực cho các tín hiệu tương tự từ mơi trường.

Hình 1.18. Vi xử lý DSP
DSP là một vi xử lý chuyên dụng để thực hiện thao tác xử lý tín hiệu vơ cùng

hiệu quả. Cũng giống như vấn đề chun mơn hóa nghề nghiệp của con người, khi
DSP được thiết kế cho lĩnh vực xử lý tín hiệu, chúng sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn
để hồn thành việc ấy. Do đó, sẽ cần tới ít thời gian, năng lượng và tài nguyên hơn
các bộ xử lý đa mục đích (general-purpose processor) khi thực thi các tác vụ xử lý
tín hiệu”.
15