Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung thế sử dụng nghịch lưu đa mức

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: ” Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động
điện xoay chiều trung thế sử dụng nghịch lưu đa mức” do em tự thiết kế dưới sự
hướng dẫn của giảng viên T.S Đỗ Mạnh Cường.Các số liệu và kết quả là hoàn toàn
đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này,em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác.Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội,ngày 19 tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Trung


MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh
Danh mục bảng số liệu
Danh mục từ viết tắt


Danh mục hình ảnh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

. Sơ đồ tổng quát của một hệ truyền động trung thế
Hình 2.2. Cấu trúc biến tần gián tiếp với điện trở hãm dập động năng
Hình 2.3. Biến tần gián tiếp với cầu Thyristor hãm tái sinh
Hình 2.4. Biến tần 4Q sử dụng chỉnh lưu tích cực ở đầu vào
Hình 2.5. Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM

Hình 2.6. Sơ đồ chỉnh lưu PWM 5 mức NPC
Hình 2.7. Dạng điện áp sau chỉnh lưu tích cực mơ phỏng trên matlab
Hình 2.8. Hoạt động của mạch chỉnh lưu trên diot của IGBT
Hình 2.9. Sơ đồ thay thế điện của một nhánh
Hình 2.10.Giản đồ vecto 1 pha
Hình 2.11. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM
Hình 2.12. Sơ đồ vectơ VOC
Hình 2.13. Cấu trúc khối điều khiển của chỉnh lưu PWM
Hình 2.14.Sơ đồ nghịch lưu cầu H một pha.
Hình 2.15. Cấu trúc bộ nghịch lưu Cascade 5 mức kiểu H
Hình 2.16. Bộ nghịch lưu dạng tụ kèm 3 mức
Hình 2.17. Mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc
Hình 2.18. Sơ đồ một pha của nghịch lưu NPC 5 mức
Hình 2.19. Ngun lí điều chế độ rộng xung PWM.
Hình 2.20. Các cách bố trí sóng mang.
Hình 2.21. Mơ phỏng nghịch lưu 5 mức điều chế sinPWM.
Hình 3.1.Động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc
Hình 3.2. Các hệ trục tọa độ

3


Danh mục hình ảnh

Hình 3.3. Mơ hình động cơ trên hệ tọa độ dq
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thơng roto cho động cơ IM
Hình 3.5. Khối chuyển hệ tọa độ abcαβ
Hình 3.6. Khối chuyển hệ tọa độ αβdq
Hình 3.7.Khối chuyển hệ tọa độ dqabc
Hình 3.8. Khối mơ hình từ thơng.

Hình 3.9.Cấu trúc bộ điều khiển PI
Hình 3.10. Khối điều khiển dịng Ri
Hình 3.11. Cấu trúc mạch lực của nghịch lưu NPC 5 mức.
Hình 3.12. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu tích cực 5 mức.
Hình 3.13. Khối tạo sóng mang.
Hình 3.14. Cấu trúc khâu điều chế độ rộng xung.
Hình 4.1.Sơ đồ điều khiển mạch vịng dịng điện

isd

.

Hình 4.2. Mạch vịng tốc độ ĐCKĐB xoay chiều 3 pha
Hình 4.3. Mạch vịng tốc độ ĐCKĐB xoay chiều 3 pha
Hình 4.4. Sơ đồ thay thế điện của một nhánh
Hình 4.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện
Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển mạch vịng điện áp.
Hình 5.1. Mơ phỏng chỉnh lưu tích cực với tải RL.
Hình 5.2. Điện áp DC đầu ra với giá trị đặt 7000V
Hình 5.3. Dịng điện lưới (Pha A) đầu vào của chỉnh lưu
Hình 5.4.Phân tích phổ dịng điện đầu vào IL
Hình 5.5. Điện áp lưới và dòng điện lưới (Pha A) đầu vào chỉnh lưu
Hình 5.6.Mơ phỏng nghịch lưu 5 mức diode kẹp
Hình 5.7. So sánh tạo xung điều khiển.
Hình 5.8. Xung điều khiển IGBT trên 1 pha
4


Danh mục hình ảnh

Hình 5.9. Điện áp ba pha đầu ra khi chưa có lọc
Hình 5.10. Điện áp ba pha đầu ra sau lọc
Hình 5.11. Dịng điện ba pha đầu ra
Hình 5.12. Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha
sử dụng nghịch lưu đa mức
Hình 5.13. Đáp ứng tốc độ quay của động cơ
Hình 5.14. Momen tải đặt vào động cơ
Hình 5.15. Đáp ứng momen đầu trục của động cơ.
Hình 5.16. Đáp ứng dịng điện isq
Hình 5.17. Đáp ứng dịng điện isd
Hình 5.18. Đáp ứng từ thơng Roto
Hình 5.19. Điện áp pha A
Hình 5.20. Dịng điện Ia
Hình 5.21. Dịng điện 3pha a,b,c

5


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

6


Danh mục từ viết tắt

MV

Hệ trung thế

VSI

Nghịch lưu nguồn áp

CSI

Nghịch lưu nguồn dòng

NLĐM

Nghịch lưu đa mức

NPC

Neutural Point Mutilevel Inverter

Nghịch lưu dạng diode kẹp

FC

Flying Capacitor

Cấu trúc tụ điện thay đổi

BBĐ

Bộ biến đổi

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistors

Van bán dẫn

THD

Total Harmonic Distorion

Tổng độ méo sóng hài

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển tựa từ thông

7


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Các động cơ cơng suất lớn đặc biệt là động cơ không đồng bộ ngày nay được
ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp. Trong đó hầu hết sử dụng các động cơ trung áp
với dải điện áp 3,3÷6,6 kV và cơng suất 1÷4 MW. Với bộ nghịch lưu hai mức trước
đây tuy có nhiều sự phát triển nhưng chỉ phù hợp với các truyền động công suất nhỏ.
Hơn nữa dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu hai mức có thành phần hài bậc
cao khá lớn. Vì vậy trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đa mức đã được nhiều
chú ý và được xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp.
Nghịch lưu đa mức (NLĐM) có những ưu điểm quan trọng trong các ứng dụng
địi hỏi công suất lớn và điện áp cao. NLĐM phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía
xoay chiều, giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải
đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các đơn vị mạch lực thấp trong khi
vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế cao.
Với những ưu điểm nổi trội trên, việc kết hợp sử dụng Nghịch lưu đa mức trong
các hệ truyền động điện trung thế dự đoán sẽ cho ra nhưng kết quả tốt.
Từ những mục đích trên mà nhóm em được giao đề tài: ”Nghiên cứu thiết kế
hệ truyền động điện xoay chiều trung thế sử dụng nghịch lưu đa mức”
Bố cục bản đồ án gồm 5 chương chính như sau:
Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP:Giới
thiệu khái quát chung về cấu trúc các yêu cầu kĩ thuật cũng như tầm quan trọng của
các hệ truyền động trung thế trong công nghiệp hiện nay.
Chương 2 :CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG

THẾ :Chương này nêu ra cấu trúc chung của một hệ truyền động điện trung thế. Sau
đó ta đi phân tích cấu trúc từng thành phần trong hệ, từ đó thấy được các ưu nhược
điểm của từng loại cấu trúc giúp ta lựa chọn cấu trúc phù hợp với yêu cầu.
Chương 3:THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU
BA PHA:Mơ hình hóa đối tượng điều khiển là động cơ khơng đồng bộ Roto lồng
sóc,từ đó ta thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ theo phương pháp tựa theo từ thông

Đồ án tốt nghiệp

Trang 8


Lời nói đầu

Roto (FOC).
Chương 4:TÍNH TỐN THƠNG SỐ CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG:Dựa vào cấu
trúc và thông số của đối tượng điều khiển ta đi tính tốn thơng số cho các bộ điều
khiển cũng như thông số phần mạch lực của cấu trúc.
Chương 5:MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN MATLAB. Mơ phỏng cấu trúc
điều khiển vector truyền động xoay chiều 3 pha sử dụng nghịch lưu đa mức. Phân tích
đặc tính: điện áp đặt vào stator, dòng điện stator, momen và tốc độ động cơ trong
trường hợp tải máy bơm với các tốc độ làm việc khác nhau.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên T.S Đỗ Mạnh
Cường em đã hồn thành đồ án đúng tiến độ. Em xin gửi lời cảm ơn
chân thành tới thầy giáo T.S Đỗ Mạnh Cường .Tuy nhiên, do kinh
nghiệm bản thân còn nhiều hạn chế và thời gian có hạn nên đồ án sẽ
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được các đóng
góp ý kiến góp ý q báu của thầy cơ để bản đồ án được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 19 tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Trung

Đồ án tốt nghiệp

Trang 9


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1. Cấu trúc chung
Sự phát triển của các bộ biến đổi cao áp và hệ truyền động trung áp (MV) được bắt
đầu từ giữa thập niên 1980 khi các bộ cổng đóng cắt thyristor (GTO) 4500-V bắt đầu
được thương mại hóa. Bộ GTO là bộ tiêu chuẩn cho hệ thống truyền động điện trung
áp cho đến khi các bộ IGBT và GCT xuất hiện vào cuối thập niên 1990. Những bộ
chuyển đổi này có sự phát triển nhanh chóng vào ngành điện cơng suất cao nhờ những
đặc tính riêng cao cấp, giảm bớt tổn hao điện năng, dễ dàng điều khiển đóng cắt và
hoạt động ổn định.
Các hệ truyền động trung thế có dải cơng suất từ 0,4MW đến 40MW và ở dải điện
áp từ 2,3kV đến 13,8kV. Dải cơng suất có thể mở rộng đến 100MW, tại dải công suất
mà các động cơ đồng bộ với tải các biến tần thường xuyên sử dụng. Mặc dù vậy, phần
lớn việc cài đặt các hệ truyền động trung áp là trong dải từ 1đến 4MW với điện áp mức
từ 3,3kV đến 6,6kV như hình 1.1

Hình 1.1. Dải cơng suất và điện áp của hệ truyền động trung thế (nguồn: Rockwell

Automation)
Hệ truyền động MV có ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp. Chúng được sử dụng
trong ngành công nghiệp bơm dầu, hệ thống quạt trong ngành công nghiệp xi măng,
các máy bơm trong các trạm bơm nước, ứng dụng kéo trong ngành vận tải, ứng dụng
trong ngành công nghiệp gia công kim loại, và các ứng dụng công nghiệp khác.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 10


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Từ đầu thế kỉ 21 có hàng ngàn hệ thống truyền động MV đã được ứng dụng rộng
rãi trên thế giới. Nghiên cứu thị trường đã đưa ra 85% tổng số các lắp đặt hệ truyền
động là cho các hệ thống bơm, quạt, máy nén, và băng tải, nơi các hệ thống truyền
động có thể khơng u cầu cao về hoạt động động lực. Như hình 1.2, chỉ 15% các bộ
truyền động được lắp đặt là các hệ truyền động không tiêu chuẩn.
Hình 1.2. Biểu đồ thị trường cho hệ truyền động trung thế (Nguồn: ABB)
Một trong các thị trường lớn cho hệ truyền động trung thế là cho các ứng dụng
hàng khơng. Nó phản ánh bằng việc 97% việc lắp ráp các động cơ trung thế hiện nay
hoạt động tại tốc độ ổn định và chỉ có 3% trong số đó là được điều khiển tốc độ. Khi
các quạt hoặc bơm là hoạt động bởi động cơ đã cố định tốc độ, việc điều khiển của
khơng khí hoặc lưu lượng nước bình thường đạt được bởi các ngun lí cơ học, như
điều khiển lưu lượng, điều khiển van tiết lưu, điều này gây ra hiện tượng thất thoát
năng lượng.
Việc lắp đặt các hệ thống truyền động trung thế có thể giúp tăng hiệu suất làm việc,
tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu được tiền điện tiêu thụ. Điều này được phản ánh bằng
việc sử dụng động cơ có tốc độ điều chỉnh được của các hệ truyền động trung thế, dẫn
đến thời gian hoàn vốn đầu tư nhanh hơn.

Việc sử dụng hệ truyền động trung thế ngồi ra cịn có thể tăng năng suất trong một
vài ứng dụng. Ví dụ ứng dụng của một nhà máy xi măng, tốc độ quạt công suất lớn
được điều chỉnh bởi một bộ truyền động trung áp. Việc lọc bụi từ cánh quạt hoạt động
tại tốc độ cố định sẽ phải làm sạch thường xuyên, dẫn tới việc hiệu suất bị giảm theo
năm do mất nhiều thời gian làm sạch tại thời điểm ngừng hoạt động mỗi năm một lần.
Việc tăng năng suất cùng với tiết kiệm năng lượng sẽ giúp đạt được kết quả cao hơn
cho sự đầu tư của nhà máy.
Hình 1.3 là sơ đồ tổng quát của một bộ truyền động điện trung thế. Phụ thuộc vào
yêu cầu của hệ truyền động trung thế và các loại thiết bị chuyển đổi, bộ lọc pha là tùy
ý. Biến áp pha với nhiều cuộn dây thứ cấp được sử dụng cho việc giảm thiểu độ méo
mó của dịng điện.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 11


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Hình 1.3.Sơ đồ tổng quát hệ truyền động trung thế
Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn cấp xoay chiều thành điện áp một chiều với độ lớn
có thể thay đổi hoặc cố định. Thông thường sử dụng bộ chỉnh lưu diode đa xung, chỉnh
lưu SCR đa xung, hoặc chỉnh lưu module điều chỉnh độ rộng xung PWM. Bộ lọc một
chiều đơn giản thường dùng là một tụ điện và một cuộn cảm để cho dòng điện nhẵn
hơn cho nguồn dòng hệ truyền động.
Bộ chuyển đổi có thể phân ra thành bộ chuyển đổi nguồn áp (VSI) và chuyển đổi
nguồn dòng (CSI). Bộ chuyển đổi nguồn áp chuyển đổi điện áp DC thành nguồn xoay
chiều 3 pha với độ lớn và tần số có thể thay đổi được, trái lại bộ chuyển đổi CSI
chuyển đổi dịng DC thành nguồn dịng 3 pha có thể thay đổi được.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật
Yêu cầu kĩ thuật về hệ truyền động trung thế là khác với những bộ truyền động
xoay chiều điện áp thấp (<=600V). Những yêu cầu này có thể chia làm 4 bao gồm:
Nhóm yêu cầu về chất lượng công suất của bộ chuyển đổi, yêu cầu về liên kết với thiết
kế của bộ biến đổi động cơ, yêu cầu của bộ đóng cắt, và yêu cầu hệ thống truyền động.
1.2.1. Yêu cầu về đường dây nguồn cấp
Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng sóng của dịng và áp có thể gây ra các vấn đề
nguy hại tới hệ thống điều khiển của máy tính cơng nghiệp, q nhiệt của các máy
biến áp, hỏng thiết bị, mất dữ liệu máy tính và trục trặc với các thiết bị truyền thông.
Sự nguy hại của đường dây thường dẫn tới hỏng các sản phẩm đắt tiền. Hiện tại chắc
chắn các bộ chỉnh lưu cho hệ thống truyền động trung thế phải tuân thủ theo nguyên
tắc cho sự điều tiết sóng hài, như tiêu chuẩn IEEE-519-1992.
Hệ số công suất đầu vào cao là yêu cầu chung cho tồn bộ các thiết bị điện. Các
cơng ty về điện đều u cầu khách hàng phải có cơng suất từ 0,9 trở lên để tránh tiền
bồi thường trong quá trình hoạt động. Yêu cầu này đặc biệt quan trọng với bộ truyền
động trung thế bởi dải công suất cao của nó.
Đồ án tốt nghiệp

Trang 12


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Hệ truyền động trung thế sử dụng bộ lọc pha tụ điện để giảm thiểu dịng THD hoặc
bù cơng suất, các tụ điện làm thành các mạch cộng hưởng LC với dòng tự cảm của hệ
thống. Chế độ cộng hưởng LC có thể kích thích bởi điện áp sóng hài trong nguồn hoặc
dịng sóng hài tạo ra bởi bộ chỉnh lưu. Từ nguồn tại cấp độ trung thế thường có điện
trở dây rất thấp. Những tác động nhẹ của hiện tượng cộng hưởng LC có thể gây ra các
dao động xấu hoặc quá áp, điều đó có thể gây ra hỏng hóc các thiết bị chuyển mạch và
các thiết bị điện khác trong mạch chỉnh lưu. Các vấn đề về cộng hưởng LC cần được

giải quyết khi thiết kế hệ thống truyền động.
1.2.2. Các yêu cầu về đầu vào động cơ
Qúa trình đóng cắt với tần số cao của các thiết bị bán dẫn dẫn đến trong hàm dv/dt
cao tại lúc sườn lên và sườn xuống ở đỉnh nhọn của dạng sóng điện áp đầu ra. Phụ
thuộc vào độ lớn của đường dẫn điện áp chuyển đổi DC và tốc độ đóng cắt của thiết bị,
hàm dv/dt có thể vượt quá 10,000V/. Hàm dv/dt cao trong điện áp đầu ra biến tần có
thể gây ra khó thốt nhiệt của cuộn dây động cơ bởi vì khơng kịp xả. Nó gây hiện
tượng rò điện áp giữa rotor và stator. Điện áp gây ra dịng điện chảy trong trục, dẫn tới
nhanh chóng hỏng động cơ, ngồi ra cịn có thể gây ra phát thải điện trong cáp kết nối
motor và biến tần, ảnh hưởng tới các thiết bị điện từ gần đó.
Nguy hiểm hơn là, hàm dv/dt cao có thể gây ra hiệu ứng điện áp tăng gấp đôi tại
thời điểm sườn lên và sườn xuống của dạng sóng điện áp motor do sự sóng dội lại
trong đường cáp dài. Sự dội là ngun nhân bởi ghép đơi khơng phù hợp giữa sóng trở
kháng trong cáp và trở kháng tại thời điểm cuối của motor và biến tần, và chúng có thể
tăng gấp đôi điện áp tại các đầu nối trên motor tại mỗi lần đóng cắt nếu cáp dài vượt
quá một giới hạn. Độ dài tới hạn của cáp cho 500V/ là trong khoảng 100m, cho
1000V/ là trong khoảng 50m và 10000V/ là trong khoảng 5m.
Biến tần cơng suất cao có thể sinh ra lượng lớn sóng hài dịng và áp. Các sóng hài
này là nguyên nhân thêm vào cho việc tổn thất công suất trong cuộn dây và lõi từ động
cơ. Như là hệ quả tất yếu, động cơ sẽ giảm và không thể hoạt động hết công suất.
Cho hệ truyền động trung thế sử dụng bộ lọc tụ, bộ điện dung tạo thành mạch cộng
hưởng LC với các điện cảm motor. Chế độ cộng hưởng của mạch LC có thể kích thích
điện áp sóng hài hoặc dịng của bộ biến tần.
1.2.3. Các hạn chế về thiết bị đóng cắt
Đồ án tốt nghiệp

Trang 13


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Tần số thiết bị dòng cắt thường rất lớn, nên phải được giới hạn. Tổn thất trong việc
đóng cắt góp một phần trong tổn thất của hệ truyền động trung thế. Giảm thiểu tổn thất
đóng cắt có thể dẫn tới giảm thiểu giá thành hoạt động khi sử dụng hệ truyền động.
Kích thước vật lí và giá thành sản xuất của hệ truyền động có thể được giảm thiểu do
giảm được các yêu cầu làm mát cho các thiết bị đóng cắt. Lí do khác cho việc giới hạn
tần số đóng cắt là liên quan tới việc phát nhiệt của các thiết bị điện trở rằng có thể
ngăn ngừa hiệu suất làm nóng chuyển đổi từ thiết bị tới bộ làm mát. Trong thực hành,
tần số các thiết bị đóng cắt thường hoạt động trong khoảng 200Hz cho GTO và 500Hz
cho IGBT và GCTs.
Việc giảm thiểu ảnh hưởng của tần số đóng cắt gây ra làm một sự gia tăng độ méo
sóng hài và dạng sóng của motor-side của hệ truyền động. Nỗ lực làm giảm độ méo
dạng sóng phải song song với việc giới hạn tần số đóng cắt.
1.2.4. Yêu cầu về hệ thống bộ điều khiển
Yêu cầu chung của hệ truyền thống trung thế bao gồm hiệu suất cao, giảm giá
thành sản xuất, kích thước vật lí nhỏ, độ tin cậy cao, bảo vệ hiệu quả, dễ dàng lắp đặt,
tự vận hành và tối thiểu thời gian sửa chữa. Một vài yêu cầu ứng dụng đặc biệt bao
gồm hiệu quả động lực cao, khả năng tái tạo nhanh và hoạt động ở cả 4 góc phần tư.

1.3. Các sản phẩm hệ truyền động trung thế trong công nghiệp
Một số sản phẩm truyền động trung thế đã được bán trên thị trường hiện nay. Các
hệ truyền động này đến với các thiết kế khác sử dụng sơ đồ điều khiển và sơ đồ
chuyển đổi nguồn đa dạng. Mỗi thiết kế cung cấp một vài đặc điểm khác nhưng ngồi
ra có những sự giới hạn. Việc cung cấp đa dạng dẫn tới cạnh tranh trên thị trường và
làm phát triển công nghệ truyền động trung thế. Có thể kể đến một số bộ truyền động
trung thế công nghiệp như là: hệ truyền động dùng bộ biến tần NPC 3 mức GCT-based
(ACS100), hệ truyền động trung thế IGBT dùng bộ biến tần NPC 3 mức (SIMOVERT
MV), hệ truyền động trung thế CSI-fed MV drive sử dụng GCTs đối xứng (PowerFlex
7000), hệ truyền động trung thế sử dụng nghịch lưu NPC/cầu H với IGBT do Tosiba
sản xuất (TOSVERT 300MV) v. v.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 14


Chương 1:Khái quát về hệ truyền động điện trung áp

Hình 1.4.Biến tần ACS2000 của hãng ABB

1.4. Nhận xét chung
Chương I cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về hệ truyền động trung áp và các bộ
chuyển đổi công suất cao, khả năng ứng dụng quy mô lớn trong tương lai. Bên cạnh đó
cũng phân tích cấu hình hệ truyền động, các sơ đồ bộ chuyển đổi công suất, giới thiệu
một số sản phẩm và các nhà sản xuất lớn cũng như đưa ra các yêu cầu, thách thức cần
khắc phục trong tương lai.
Như vậy, từ cấu trúc hệ truyền động như hình 1.3, các chương tiếp theo chúng ta sẽ
đi tìm hiểu về các thành phần cấu tạo của nó bao gồm:
+ Tìm hiểu các bộ biến đổi chỉnh lưu, nghịch lưu, thông qua ưu nhược điểm để lựa
chọn các bộ biến đổi thích hợp cũng như thiết kế các bộ lọc sóng hài.
+ Mơ hình hóa ĐCKĐB trên hệ tọa độ tựa từ thông dq để thiết kế bộ điều khiển
thích hợp.
+Thực nghiệm các thơng số và bộ điều khiển trên Matlab.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 15


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

Chương 2
CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ
2.1.Cấu hình bộ biến đổi
2.1.1.Cấu trúc chung
Hình 2.1 là sơ đồ tổng quát của một bộ truyền động điện trung thế. Phụ thuộc vào
yêu cầu của hệ truyền động trung thế và các loại thiết bị chuyển đổi, bộ lọc pha là tùy
ý. Biến áp pha với nhiều cuộn dây thứ cấp được sử dụng cho việc giảm thiểu độ méo
mó của dịng điện.

Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát của một hệ truyền động trung thế
Bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn cấp xoay chiều thành điện áp một chiều với độ
lớn có thể thay đổi hoặc cố định. Thông thường sử dụng bộ chỉnh lưu diode đa xung,
chỉnh lưu SCR đa xung, hoặc chỉnh lưu module điều chỉnh độ rộng xung PWM. Bộ lọc
một chiều đơn giản thường dùng là một tụ điện và một cuộn cảm để cho dòng điện
nhẵn hơn cho nguồn dòng hệ truyền động.
Bộ chuyển đổi có thể phân ra thành bộ chuyển đổi nguồn áp (VSI) và chuyển
đổi nguồn dòng (CSI). Bộ chuyển đổi nguồn áp chuyển đổi điện áp DC thành nguồn
xoay chiều 3 pha với độ lớn và tần số có thể thay đổi được, trái lại bộ chuyển đổi CSI
chuyển đổi dịng DC thành nguồn dịng 3 pha có thể thay đổi được.
Hình 2.1 đã cho ta thấy, một hệ truyền động trung áp cơ bản gồm các thành
phần: nguồn cấp xoay chiều ba pha, máy biến áp, bộ chỉnh lưu điện áp, bộ nghịch lưu
đa mức và các bộ lọc sóng hài. Phần tiếp theo, chúng em sẽ trình bày về các các bộ

Đồ án tốt nghiệp

Trang 16


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

chỉnh lưu và nghịch lưu áp, qua đó phân tích ưu nhược điểm để chọn bộ biến đổi phù
hợp nhất.
2.1.2.Các vấn đề của bộ chỉnh lưu thông thường
Các bộ biến tần thông thường tồn tại một số nhược điểm cơ bản sau: sóng hài
bậc cao trong dịng điện lưới có biên độ khá lớn làm méo dạng đường cong điện
áp lưới điện; hệ số công suất cosφ không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt
là khi hệ thống công suất lớn;phần lớn khơng thực hiện được q trình biến đổi năng
lượng từ phía tải (động cơ) đưa trả lại lưới điện xoay chiều nên ảnh hưởng
đến chất lượng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống.
Để tăng hệ số cơng suất, giảm tổn thất trong q trình truyền tải điện năng,
ngoài việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sóng hài bậc cao (sóng hài bậc cao
cũng là một yếu tố làm suy giảm hệ số công suất của bộ chỉnh lưu), có thể phải
bố trí thêm các thiết bị bù công suất phản kháng.Về mặt nguyên tắc, công suất dư thừa
trong động cơ (thường là động năng hệ truyền động) có thể được tiêu tán trên điện trở
trong mạch một chiều nhờ khóa đóng cắt có điều khiển hoặc có thể biến đổi thành điện
năng xoay chiều và trả lại lưới điện cung cấp xoay chiều.Chỉnh lưu điốt (diode) chỉ
cho phép năng lượng đi theo một chiều duy nhất.

Hình 2.2.Cấu trúc biến tần gián tiếp với điện trở hãm dập động năng.
Ở hình 2.2, cấu trúc của bộ biến tần gồm một cầu chỉnh lưu diode ở đầu vào, một
mạch nghịch lưu sử dụng van IGBT ở đầu ra. Giữa hai khối này là tụ điện trung gian
và một khâu hãm dập động năng với điện trở hãm R h.Tuy nhiên nhược điểm của cấu

Đồ án tốt nghiệp

Trang 17


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

trúc này là động cơ khơng có khả năng trả năng lượng về lưới. Năng lượng dư thừa
được dập bởi điện trở hãm. Đồng thời hệ số cosφ thấp và không điều khiển được.
Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động
cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư, tức là ngồi chế độ động
cơ ra thì phải làm việc được ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc được ở chế độ
hãm tái sinh. Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tư thì thì u cầu bộ biến tần
phải có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều.
Để khắc phục nhược điểm trên, một cấu trúc khác được đưa ra, đó là thay vì sử
dụng cầu chỉnh lưu diode, ở đầu vào người ta sử dụng hai cầu chỉnh lưu Thyristor mắc
song song ngược (hình 2.3).Với cấu trúc này, năng lượng có thể được trả về lưới.Tuy
nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch lưu bằng thyristor mắc song ngược với bộ chỉnh
lưu, ngoài nhược điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, cịn có thêm nhược điểm là
dịng điện qua lưới chứa nhiều sóng điều hồ bậc cao làm ảnh hưởng xấu đến chất
lượng điện năng và làm giảm hệ số cơng suất.

Hình 2.3.Biến tần gián tiếp với cầu Thyristor hãm tái sinh.
Như vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều thì vấn đề cịn
lại là khối chỉnh lưu cũng phải có khả năng trao đổi cơng suất hai chiều. Như vậy,
nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra được một khối chỉnh lưu có các ưu
điểm:

• Giảm được biên độ các sóng điều hồ bậc cao dịng điện lưới.
• Hệ số cosφ cao

Đồ án tốt nghiệp

Trang 18

Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

• Có khả năng trao đổi cơng suất theo hai chiều
Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng được các yêu trên .

Hình 2.4.Biến tần 4Q sử dụng chỉnh lưu tích cực ở đầu vào.

2.2.Bộ chỉnh lưu PWM
2.2.1.Tổng quan về bộ chỉnh lưu PWM
Chỉnh lưu tích cực là các bộ biến đổi bán dẫn công suất dùng để biến đổi
nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ
tải một chiều. Các sơ đồ chỉnh lưu truyền thống sử dụng các van không điều
khiển như Diot hoặc điều khiển khơng hồn tồn như Thysistor có nhược điểm
là dịng đầu vào khơng có dạng sin và hệ số công suất thấp, ảnh hưởng tới phụ
tải khác trong lưới điện và làm tăng tổn thất trên lưới nói chung. Ngày nay cùng
với sự xuất hiện của các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO
với khả năng đóng cắt dịng điện lớn, chịu được điện áp cao, thì việc xây dựng
các bộ chỉnh lưu với dịng đầu vào hình sin, hệ số cơng suất điều chỉnh được đến
bằng đã hồn tồn có thể thực hiện được. Đây được gọi là các bộ chỉnh lưu tích
cực.
Chỉnh lưu tích cực khơng hồn tồn thay thế các chỉnh lưu thông thường
nhưng được áp dụng rộng rãi trong ác hệ thống truyền tải điện xoay chiều thông
minh, trong các bộ nguồn chất lượng cao. Hơn nữa chỉnh lưu tích cực cịn có
khả năng trao đổi cơng suất giữa tải và lưới theo cả hai chiều nên chỉnh lưu tích
cực cũng là đầu vào một chiều cho các bộ biến tần bốn góc phần tư hay cịn gọi là

Đồ án tốt nghiệp

Trang 19

Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

biến tần 4Q. Các chỉnh lưu tích cực đều áp dụng phương pháp biến điệu bề rộng
xung để điều chỉnh điện áp phía một chiều nên cịn được gọi là chỉnh lưu PWM.

Hình 2.5. Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất
chảy theo cả hai chiều
Cấu trúc trên có các ưu điểm là sử dụng các module ba pha số lượng van nhỏ nên
có thể giảm giá thành ,năng lượng có khả năng chảy hai chiều.
Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều
nhờ vào chỉnh lưu 3 pha PWM.Nó sẽ giúp làm cải thiện hệ số cơng suất,có thể điều
khiển cosφ=1 và dịng điện chứa ít các thành phần sóng hài bậc cao mang lại nhiều lợi
ích như an tồn cả khi mất nguồn;điều khiển chính xác tồn dải trong các chế độ chỉnh
lưu và tái sinh;cho phép trả năng lượng vào lưới.
IGBT có ít thành phần hài ở tần số thấp,nhưng lại tăng cao ở tần số cao hơn;có
khả năng nâng điện áp.Khi điện áp nguồn bị giảm xuống,điện áp một chiều DC có thể
được khuếch lên để cho điện áp động cơ cao hơn điện áp nguồn cung cấp.
Ta có thể thiết kế chỉnh lưu PWM nhiều mức giống như nghịch lưu đa mức để có
thể làm việc tốt hơn với điện áp trung thế trong công nghiệp.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 20


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

Hình 2.6.Sơ đồ chỉnh lưu PWM 5 mức NPC

Hình 2.7.Dạng điện áp sau chỉnh lưu tích cực mơ phỏng trên matlab
2.2.2.Hoạt động của bộ chỉnh lưu PWM.
Phân tích chế độ làm việc bốn góc phần tư:Để đảm bảo cơng suất làm việc hai
chiều giữa lưới và tải,dòng điện chỉnh lưu I L phải thay đổi được dấu.Ta gọi I L có dấu
Đồ án tốt nghiệp

Trang 21


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

dương khi nó có chiều hướng về tải cịn dấu âm khi nó có chiều hướng về lưới.Do dấu
điện áp một chiều cố định nên cơng suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải
Pd=Ud.IL>0 và từ tải về lưới Pd=Ud.IL<0.

Hình 2.8.Hoạt động của mạch chỉnh lưu trên diot của IGBT
Để thực hiện ngun lí chỉnh lưu cần có điều kiện:
• Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM:VDcmin>VCL tự nhiên (thường ít nhất là
20%).
• Có cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới.
• Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM.
Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một chiều nhỏ
nhất.Thơng thường có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất:
với là điện áp hiệu dụng của lưới điện.

Hình 2.9.Sơ đồ thay thế điện của một nhánh

Đồ án tốt nghiệp

Trang 22

Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

Hình 2.9 biểu diễn một pha của mạch chỉnh lưu giới thiệu ở hình 2.8. L
và R là điện cảm của lưới, UL là điện áp lưới và Us là điện áp bộ chuyển đổi có
thể điều khiển được từ phía một chiều.
Ta có thể chia mạch chỉnh lưu chia làm 3 phần: phần phía AC, phần chỉnh lưu và
phần DC. Lúc đó ta có mơ hình 1 pha như hình 2.9
Trong đó:

UL: điện áp lưới
Us: điện áp bộ biến đổi.
IL: là điện áp bộ biến đổi.

Từ mơ hình 1 pha ta có phương trình:. Giản đồ vectơ như sau:

Hình 2.10.Giản đồ vecto 1 pha: a) Giản đồ chung; b) khi hệ số cosφ=1; c) chế
độ hãm
Nhìn vào giản đồ 2.10a, điện áp lưới U L không đổi, các giá trị R, L khơng đổi
nên muốn điều khiển góc pha và biên độ của dòng điện lưới i ta chỉ cần điều khiển
biên độ và góc pha của Us. Khi đó ta có giản đồ có hệ số cosφ=1. Hình 2.10c là giản
đồ khi chỉnh lưu hoạt động ở chế độ hãm.
Để bộ chỉnh lưu làm việc tốt, PWM phải tạo được sóng Us với cùng tần số
của nguồn. Thay đổi biên độ cũng như góc lệch pha so với nguồn xoay chiều, thiết bị
chỉnh lưu có thể được điều khiển để hoạt động trong cả 4 góc phần tư: chỉnh lưu tăng
hệ số công suất, chỉnh lưu giảm hệ số công suất, nghịch lưu tăng hệ số công
suất,nghịch lưu giảm hệ số công suất.
2.2.3.Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp sử
dụng đại lượng vector điện áp(VOC)

Đồ án tốt nghiệp

Trang 23


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

Hình 2.11.Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM
Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dịng điện là xử lý tín hiệu
trong hai hệ trục toạ độ là hệ trục toạ độ tĩnh abc và hệ trục toạ độ quay d-q. Các
giá trị đo được trong hệ trục toạ độ tự nhiên đầu tiên được biến đổi sang hệ trục
toạ độ quay d-q như trên sơ đồ khối.
Công thức biến đổi từ hệ toạ độ abc sang hệ toạ độ d-q là:

Trong hệ toạ độ quay d-q dòng điện lưới iL được chia làm hai thành phần
là iLd (thành phần dọc trục) và iLq (thành phần ngang trục) trong đó iLd xác định
hướng dịng của cơng suất tác dụng và iLq xác định cơng suất phản kháng. Nhờ
đó mà cơng suất tác dụng cũng như phản kháng có thể điều khiển một cách độc
lập. Hệ số công suất bằng một khi véc tơ dòng điện lưới iL trùng pha với véc tơ
điện áp lưới uL. Đặt trục d của hệ trục toạ độ quay trùng với véc tơ điện áp lưới
thì có thể có được mơ hình động lực học đơn giản.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 24


Chương 2:Cấu trúc hệ truyền động trung thế

Hình 2.12.Sơ đồ vectơ VOC
Cơng thức tính điện áp lưới trong hệ trục d-q như sau:

Theo hình 2.12 thì dịng điện ngang trục iLq được đặt bằng 0 để có được
hệ số cơng suất bằng 1 và dòng điện dọc trục iLd được đặt bởi bộ điều khiển điện
áp một chiều và điều khiển dịng cơng suất tác dụng giữa người cấp và điện áp
một chiều trung gian. Giả sử điện trở đầu vào coi như vô cùng bé so với điện
cảm đầu vào thì cơng thức có thể tối giản thành:

Nếu dịng điện ngang trục iLq đạt được giá trị 0 thì cơng thức sau đúng:

Bộ điều khiển dịng điện có thể sử dụng bộ PI, tuy nhiên bộ điều khiển PI
không đáp ứng được đặc tính động đặc biệt là khi sử dụng cơng thức (2.6) và
(2.7) vì vậy để đáp ứng được đặc tính động học của dịng điện thì cần tách
riêng từng dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu ra để điều khiển.

Đồ án tốt nghiệp

Trang 25