Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TEL: 0909.232.620
TẢI TÀI LIỆU – KẾT BẠN ZALO: 0909.232.620
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT
NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG
CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ
Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên: BÙI THỊ THANH HUYỀN
Người hướng dẫn khoa học: TS.TRẦN XUÂN MINH
DUYỆT BAN GIÁM
HIỆU
KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG
DẪN
HỌC VIÊN
Ts. Trần Xuân Minh Bùi Thị Thanh Huyền
THÁI NGUYÊN - 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Bùi Thị Thanh Huyền, học viên lớp cao học K10 Tự Động Hoá niên
khoá 2007-2009 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là TS. Trần Xuân Minh, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,
tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện
biến tần động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư".
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Tác giả luận văn
Bùi Thị Thanh Huyền

3
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ……………………………………………………………. ........
Lời cam đoan ……………………………………………………………. ......... 2
Mục lục ………………………………………………………………............... 3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………………………………… ........ 5
Danh mục các bảng ……………………………………………………… ........ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………… ......... 7
MỞ ĐẦU………………………………………………………………… ......... 11
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ………………… ....... 13
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều ………. .......... 13
1.1.1. Giới thiệu chung ……………………………………………… ......... 13
1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ............ 14
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ………. .......... 15
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……………….......... 15
1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất ……. .......... 16
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………………….. ........ 16
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp ………………………………………….. ........ 19
1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ ………………………………………….......... 25
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng ………………… ........ 25
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………………………. ........ 27
CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ
CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ……………… ............. 29
2.1. Đặt vấn đề ………………………………………............................ ........ 29
2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ
dùng chỉnh lƣu PWM ………………………………………. ..................... 30
2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………………………. .......... 33
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……………………… ........ 34
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha ……… .......... 35
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định - . ......... 36
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q …… ........ 37
2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM …………………………. ........ 38
2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……………….. ......... 39
2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……………………. ........... 39
2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ………………………. ........... 39
2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………………….. ........ 41
2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ……………………………. ........ 41
2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………………………… ........ 42
2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………. ................... 46
2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện
áp..................................................................................................... ............. 47
2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp

4
dựa vào dòng điện (VOC) …………………………… ................... 47
2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ……………. ......... 49
2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công
suất DPC …………………………………………………… ................ 50
2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp …………………….. ......... 52
2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ………………… ........ 53
2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lƣu PWM ………………………………………………. ................. 54
2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………………………. ........ 55
2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt .................................... 57
2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………………………………......... 58
CHƢƠNG 3 - NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ………....................................................... 60
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba 60
pha................................................................................................ ......................
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha …… 60
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi ………………….. ........ 69
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha
bất kỳ ………………………………………………………... .................. 81
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha … 82
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha … 83
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hƣớng từ
trƣờng trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (hệ tọa độ MT) ....................... 83
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector ……………. ........... 85
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng của động cơ không đồng
bộ ............................................................................................................. 86
3.2.2. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……………… ........ 87
3.2.3. Phƣơng trình cơ bản điều khiển vector ……………………….. ........ 88
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor ……………………………. ........... 89
3.3. Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK ……………………………. ......... 91
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK .............................. 91
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐK …. ............ 91
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………………….. ........ 92
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng nguyên lý điều khiển vector ..... 94
CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA..................... ............... 97
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM……………….. .......... 97
4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM …………........... 97
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM ……………………… ......... 99
4.2. Mô phỏng hệ truyền động Biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha .. 100
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab .. 100
4.2.2. Kết quả mô phỏng ……………………………………………. ......... 103

5
Kết luận và kiến nghị...................................................................................................................... 107
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................................... 108






l
1
2
A
B
C
a
b
c
M2
T2
M1
T2
L
L
L
Ld
Lq
cos
C
ĐK
DPC
f
FOC
i(t), i
iA, iB, iC
ia, ib, ic
idc
IL
iLa,b,c
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Góc pha của vector chuẩn
Góc lệch giữa trục cuộn dây rotor và stator pha
A Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM
Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM
Góc pha giữa dòng điện và áp, góc lệch giữa trục M và trục
Tần số góc của điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ
Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho bộ chỉnh lƣu
Tốc độ góc của từ thông stator so với
stator Tốc độ góc của từ thông rotor so với
rotor Từ thông stator pha A Từ thông
stator pha B
Từ thông stator pha C
Từ thông rotor pha A
Từ thông rotor pha B
Từ thông rotor pha C
Thành phần trục M (d) của vector từ thông rotor
Thành phần trục T (q) của vector từ thông rotor
Thành phần trục M (d) của vector từ thông stator
Thành phần trục T (q) của vector từ thông stator
Vector từ thông ảo
Thành phần trục của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ-
Thành phần trục của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ-
Thành phần trục d của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
Hệ số công suất cơ bản
Tụ điện
Động cơ không đồng bộ ba pha
Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)
Tần số
Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented
Control) Giá trị dòng điện tức thời
Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator
Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor
Giá trị dòng điện một chiều
Vector dòng điện lƣới
Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM

6
iL
iL
iLd
iLq
iM1
iT1
Thành phần trục của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ-
Thành phần trục của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ-
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
Thành phần trục M (d) của vector dòng stator động cơ
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
Lm1
Lt1, Lt2
Mô men quán tính
Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động cơ
Điện cảm tản cuộn dây stator và rotor
M Mô men, mô men động cơ
Mc
Mđt
Mđm
M
np
Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)
Mô men điện từ động cơ
Mô men định mức
Mô men cực đại
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 Toán tử Laplace
S Công suất biểu kiến
t Giá trị thời gian tức thời
T Chu kỳ
U Vector điện áp đặt vào động cơ
U1 Sóng hài bậc nhất điện áp đầu ra khối nghịch lƣu của biến tần
uM1
Thành phần trục M của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
uT1
Thành phần trục T của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
Vector điện áp lƣới
UL
uL Thành phần trục của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ -
uL Thành phần trục của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ -
uLd Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
uLq Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM
Us
us Thành phần trục của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục

7
us
usd
usq
Udc
V
VFOC
VOC
W, Wđt
4Q
toạ độ -
Thành phần trục của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ -
Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
Điện áp một chiều
Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ
Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented
Control)
Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented
Control) Năng lƣợng, năng lƣợng điện từ
Bốn góc phần tƣ (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
……………………………………………………………………………….. 57
Bảng B.2.2 : Sự tăng giảm p, q theo U………………………………………….... 58
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …………. .......... 17
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……………………………. ........ 17
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin….………………………………………………………….. .................. 18
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………………………………….. ..................... 18
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp…………………………………………. ......... 20
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều……………. ........ 21
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector…………………………………. .............. 24
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)…. ........ 25
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều……… ........ 26
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………………… ................. 26
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM………… ......... 30
Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM………….. ......... 31
Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………………….. .......... 31
Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.. ........ 31
Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1
(nghịch lưu)……………………………………………………………….. ........ . 31
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ………………………………………. ........................ 32
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM……………. ......... 33

8
Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ-
 và d-q……………………………………………………………..................... 34
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba

pha………………………………………………………………………….. ........35
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ-…………. ........ 37
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q…………. ......... 38
Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM …………………………... ......... 39
Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….. ........ 40
Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………………. ......... 41
Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM…………………………………………………………………… .............. 43
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM …………………………………………………………… ........ 44
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………………….. ........ 45
Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM…………………. ........ 46
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu 47
PWM với các phương pháp điều khiển ………………………………… .......
Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ………………. 48
Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC………………………………………………………………………… 49
Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VFOC……………………………………………………………………….......... 50
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……………….. ........ 51
Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………………….. ........ 52
53
Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vectorL ……………………………. .......
Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ………………………… ........ 55
Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………………. ......... 56
Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC………… ....... 57
Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………………………………… ......... 59
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ .... 61
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ
không đồng bộ nhiều biến …………………………………………… ............ 61
Hình 3.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha …………………. ......... . 62
Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích
từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù ………………………… ................ . 69
Hình 3.5: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều……………………. ....... . 71
Hình 3.6: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức
từ động cuộn dây ………………………………………………. .................... . 74
Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian
sức từ động …………………………………………………………. ................ 78
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ: 3/2) Biến

9
đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ;) Góc giữa trục M và
86
trục (trục A)………………………………………………… ........................
Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………... ........ 87
Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định
hướng từ trường …………………………………………………….. ............... 90
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK…………… .......... 91
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ ba pha……. .................... 92
Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………….......... 93
Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông
rotor……………………………………………………………………….. .......... 96
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC … 98
Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo
phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 ........... ....... 98
Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 ............... ......... 99
Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC .. ......... 99
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC ........................................................................................... ................ 99
Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn ......................................... ............... 100
Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn ...................................................... ........ 100
Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f = fđm ................. ........ 101
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không
đồng bộ ba pha ....................................................................... ................... 102
Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC
(khối “INVERTER” trên mô hình hình 4.9 .............................. ................. 102
Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.9 ............. ......... 103
Hình 4.12: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải để chuyển chế
độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ là 100 rad/s…………. .......................... 104
Hình 4.13: 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)…………………………………………………………….. ....................... 104
Hình 4.14: 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=1s) để chuyển chế độ làm
việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái
sinh………………………………………………………………………. ............ 105
Hình 4.15: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100 105
rad/s xuống 80 rad/s ……………………………………..…………................
Hình 4.16: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và
sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) 106

11
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động
cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời và phát
triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng
phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải
quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu. Tuy nhiên các bộ biến tần
hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện công
nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động bộ
biến tần-động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh.
Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu cầu kỹ
thuật cấp bách.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động
cơ xoay chiều cho phép động cơ có thể làm việc được ở cả bốn góc phần tư và cải
thiện chất lượng dòng điện qua lưới
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Xây
dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động cơ
xoay chiều không đồng bộ ba pha. Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả
phân tích, tính toán lý thuyết.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động.
Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao
hơn các hệ thống hiện có.
5. Kết cấu của luận văn

12
Luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần-động cơ xoay
chiều.
Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực PWM phục vụ cho biến tần bốn góc
phần tư.
Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện biến
tần 4Q - động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ
ba pha.
Kết luận và kiến nghị

13
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 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
Các hệ thống truyền động điện đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác
nhau, chúng đƣợc dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong
thế kỷ XIX đã lần lƣợt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay
chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20%
truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều
này hầu nhƣ đã đƣợc thế giới coi nhƣ là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phƣơng án
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã đƣợc phát minh và đƣa vào ứng dụng
khá sớm, nhƣng chất lƣợng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện
một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ
khan hiếm dầu mỏ, các nƣớc công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con
đƣờng tiết kiệm nguồn năng lƣợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80
hƣớng nghiên cứu ấy đã đạt đƣợc thành tựu lớn, và đã đƣợc coi là bƣớc đột phá thần
kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có
trào lƣu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng
bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ
rotor lòng 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 không hoàn toàn giống nhau.

14
1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tin
cậy và giá thành rẻ nhất. Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất
nhiều phƣơng pháp, chẳng hạn 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; (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...
Dựa vào cách xử lý công suất trƣợt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ đƣợc phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công suất
trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay
đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này đƣợc tăng lên theo thứ tự trên.
1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển
thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc
về loại này. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn
thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ
càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản
nhất, vì thế nó vẫn đƣợc dùng trong một số trƣờng hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu
trục.
2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao
đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả về lƣới điện xoay
chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ
quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) đã kể
trên là thuộc loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại
hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch
lƣu nên lại phải tiêu hao một phần công suất.

15
3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không
tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu
nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phƣơng pháp
điều tốc thay đổi số đôi cực và phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại này. Phƣơng
pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều
chỉnh hẹp, ít dùng. Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất vì nó
cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng đƣợc các hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lƣợng cao, có thể thay thế hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều
tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công
suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW).
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ, nhƣ đã giới thiệu, chủ yếu có 2 loại là động cơ kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Đối với động cơ điện đồng bộ chủ
yếu dùng kiểu điều tốc biến tần.
Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử
dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ nhƣ điều khiển các chuyển động của rô bốt.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất
lớn, công suất có thể đến hàng chục MW, đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền
động nhƣ máy bơm, quạt gió, nén khí, truyền động cho lò trong công nghệ sản xuất xi
măng,…
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và
không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lƣợng của hệ
thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền
động, vào hƣớng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến
tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần đƣợc chia làm hai nhóm: các bộ biến tần
là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trƣớc
đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lƣợng điện áp đầu ra thấp nên

16
thƣờng dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất đƣợc đặt lên hàng đầu.
Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng
pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp ra cao, giảm ảnh hƣởng
xấu đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng đƣợc mở rộng. Đƣợc ứng
dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp,
các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phƣơng pháp khác nhau: điều chế
độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo
qui luật U1/1 = const dễ thực hiện nhất, đƣờng đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản
là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông
thƣờng, nhƣng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây
ảnh hƣởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện
áp cho mạch stator. Điều khiển Es/1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông
dụng với U1/1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không
khí không đổi (m = const), từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc ở trạng thái ổn
định. Nhƣng đƣờng đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay
vẫn bị hạn chế.
Hệ thống truyền động điều khiển Er/1 = const có thể nhận đƣợc đƣờng đặc tính
cơ tuyến tính giống nhƣ ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực
hiện điều tốc với chất lƣợng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor
rm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận đƣợc Er/1 = const. Trong trạng
tháiổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/1 = const là mục đích của điều
tốc biến tần điều khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức
tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục 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 đã trở nên rất phổ biến.

17
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 AC AC
tần trực tiếp nhƣ trên hình 1.1. ~ 3 Biến tần ~ 3
Bộ biến đổi này chỉ dùng một
xoay chiều -
U1, f1 U2, f2
xoay chiều
khâu biến đổi là có thể biến đổi
Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp
nguồn điện xoay chiều có điện
áp và tần số không đổi thành
(xoay chiều - xoay chiều)
điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh đƣợc. Do quá 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).
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc
song song ngƣợc hai sơ đồ
chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2). Sơ đồ Sơ đồ chỉnh
chỉnh lƣu lƣu ngƣợc
Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận  3  3
Tải
ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều f1, U1 f1, U1
khiển làm việc theo chu kỳ
nhất định. Trên phụ tải sẽ
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
nhận đƣợc điện áp ra xoay
chiều ut. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển, còn tần số của nó phụ thuộc vào
tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc song song
ngƣợc. Nếu góc điều khiển không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không
đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận đƣợc điện áp đầu ra có dạng gần
hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lƣu
trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn
ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển từ/2
(ứng với điện áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là
cực đại), sau đó lại tăng dần từ 0 lên tới/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ
chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc thay đổi trong phạm vi

18
/2 0/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 2.3. Trong
đó, tại điểm A có = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B,
C, D, E góc tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với
=/2 điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong
hình vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp
ra cũng tƣơng tự nhƣ thế.
Trên đây đã
phân tích đầu ra một
pha biến tần xoay
chiều - xoay chiều
(trực tiếp), đối với
phụ tải ba pha, hai
pha khác cũng dùng
mạch điện đảo chiều
mắc song song
=/2 Điện áp đầu ra=0 Điện áp trung bình đầu ra
=/2
=/2
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần
xoay chiều-xoay chiều hình sin
ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200
. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ
đồ chỉnh lƣu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới
36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng
phải dùng tới 18 tiristor. Vì
u, i u
vậy thiết bị biến tần trực tiếp
tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng i
một khâu biến đổi, nhƣng số
t
lƣợng linh kiện lại tăng lên
rất nhiều, kích thƣớc tổng
tăng lên rất lớn. Do những Sơ đồ Sơ đồ
thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ
chỉnh chỉnh
ngƣợc ở
Sơ đồ chỉnh
thuận ở
Sơ đồ chỉnh
chế độ chế độ
thiết bị của bộ biến đổi có thuận ở chế ngƣợc ở chế
nghịch nghịch
đảo dòng thƣờng dùng trong
l-u độ chỉnh lƣu lƣu độ chỉnh lƣu
Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các
hệ thống điều tốc một chiều chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp
có đảo chiều nên quá trình

19
chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu có
điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc
biệt. Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp
nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng
không vƣợt quá 1/3 1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), nếu không, đồ
thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc bình thƣờng của hệ thống
điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống,
phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp
nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần
tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, ....
những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp
có thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song
mới thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số
nhƣợc điểm là số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất
lƣợng điện áp ra thấp, nhƣng có ƣu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần
gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ
thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta
thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có
tích điện áp và dòng điện của biến tần dƣơng, biến tần lấy công suất từ lƣới cung cấp
cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần
âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lƣới.
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao, nhƣng có một số nhƣợc điểm sau:
+ Chỉ có 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 không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ
khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.

20
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
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.
Bộ biến tần gián tiếp có
khâu trung gian một chiều có thể f1,U1
có các cấu trúc khác nhau, cấu
trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình
1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu
Chỉnh lƣu Lọc Nghịch lƣu
+

C0
=

Ud
=
-
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp
f2,U2
chính: Chỉnh lƣu, lọc và nghịch lƣu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà
có thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lƣu có điều khiển, bộ biến tần dùng
chỉnh lƣu không điều khiển nhƣng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần
dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực hiện điều chế độ rộng xung
(PWM).
A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần này có cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện
đƣợc biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor,
khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu
cầu, khối nghịch lƣu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị
điện áp ra U2 đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc
điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc
phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn
giản, dễ điều khiển nhƣng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu
vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất
giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra)
thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay
chiều đầu ra thƣờng có biên độ khá lớn. Đây là nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến
tần này.

21
 3 Chỉnh lƣu
f1, U1 điều khiển
 3
Chỉnh lƣu
không
f1, U1
điều khiển
 3 Chỉnh lƣu
không
f1, U1 điều khiển
Lọc 1
Lọc
a
Bộ biến
đổi xung
điện áp
b
Lọc
c
Lọc 2
Nghịch lƣu
 3
f2, U2
Nghịch lƣu
 3
f2, U2
Nghịch lƣu  3
PWM f2, U2
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 không 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
B. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với bộ
biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối
nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b.

22
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lƣu sử
dụng bộ chỉnh lƣu điôt không điều khiển. Khối nghịch lƣu chỉ có nhiệm vụ biến đổi
điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh đƣợc mà không có khả năng
điều chỉnh điện áp ra của nghịch lƣu nên giữa khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu bố trí
thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp
cho nghịch lƣu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay
chiều đầu ra nghịch lƣu U2. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chƣa kể
phải thêm khâu lọc) nhƣng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục đƣợc nhƣợc
điểm của bộ biến tần thứ nhất trên hình 1.6a. Khối nghịch lƣu đầu ra không thay đổi
nên vẫn tồn tại nhƣợc điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn.
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 công 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 công 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 (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo
ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn
ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy
các thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng
đƣợc những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự xuất hiện
các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, ...) cùng với sự phát
triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra đƣợc các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này.

23
Năm 1964 A. Schönung và một số đồng nghiệp ngƣời Đức đã đƣa ra ý tƣởng
biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông
tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần. Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này
về cơ bản đã giải quyết đƣợc vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thông thƣờng dùng
tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện
xoay chiều cận đại. Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này
vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lƣu
chỉ cần là chỉnh lƣu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc
L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lƣu, linh
kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lƣu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và
đƣợc điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình
chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phƣơng pháp điều khiển quy luật phân bố thời
gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là phƣơng pháp điều chế độ rộng
xung. ở đây, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật có thể điều
chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lƣu, đáp ứng yêu cầu phối
hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần.
Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :
(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển đƣợc, đơn giản hoá
cấu trúc, hệ số công 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 mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ
thống truyền động.
D. Biến tần điều khiển vector

24
Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến
việc xuất hiện nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một
bƣớc chất lƣợng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phƣơng pháp
điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator
động cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thể cho phép
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lƣợng dòng áp khá tốt, phạm điều chỉnh
đã đƣợc mở rộng nhƣng mô men cực đại bị giới hạn và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu
cao về chất lƣợng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc vòng kín
dùng biến tần gián tiếp SPWM, nhƣ là hệ điều tốc điều khiển tần số trƣợt chẳng hạn,
đã cải thiện đáng kể chất lƣợng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo
đƣợc đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên
chất lƣợng động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt đƣợc nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch
vòng động cơ một chiều.
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
Lọc
Nghịch lƣu
 3
điều khiển
f2, U2
vector
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector
Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lƣu điều khiển vector (biến
tần vector) đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.7. Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này
hoàn toàn tƣơng tự nhƣ của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều
khiển khối nghịch lƣu áp dụng phƣơng pháp điều khiển vector. Trong biến tần điều khiển
vector, ngƣời ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các vector dòng, áp, từ thông
động cơ từ hệ ba a-b-c pha sang hệ hai pha quay d-q, quay

25
đồng bộ với từ trƣờng stator của động cơ và thƣờng chọn trục d trùng với vector từ
thông rotor (điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor). Thông qua phép biến đổi tọa
độ không gian vector, các đại lƣợng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở
thành đại lƣợng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng
hợp hệ truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đó, các đại
lƣợng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đƣợc biến đổi thành đại lƣợng xoạy
chiều ba pha qua phép biến đổi ngƣợc tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều
khiển các van nghịch lƣu. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều
đƣợc thực hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng
rotor cho phép có thể duy trì đƣợc từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn
tần số cơ bản), thực hiện đƣợc quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động
cơ xoay chiều không đồng bộ trong hệ có dạng nhƣ đặc tính động cơ một chiều (với
khả năng quá tải mô men rất lớn).
1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường
Các bộ biến tần có cấu trúc đƣợc mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ƣu
nhƣợc điểm đã đƣợc giới thiệu trong mục trƣớc còn tồn tại một số nhƣợc điểm cơ
bản sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới có biên độ khá lớn làm méo dạng
đƣờng cong điện áp lƣới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất
phụ, đặc biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện đƣợc quá trình
biến đổi năng lƣợng từ phía tải (động cơ) đƣa trả lại lƣới điện xoay chiều nên ảnh
hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Để giảm
nhỏ biên độ hoặc loại bỏ một số sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới xoay chiều có
thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lƣu liên hợp hoặc các khâu lọc nhƣ hình 1.8. Khâu lọc
đƣợc thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hƣởng nối tiếp (lọc thụ động), nó sẽ dập tắt
các dòng điện điều hoà bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc dải
rộng (hình 1.8 b).

26
υ=5÷13 υ=5 7 11 13 >17
a) b)
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)
Để tăng hệ số công suất, giảm tổn thất trong quá 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 lƣu), có thể phải bố trí thêm các
thiết bị bù công suất phản kháng.
Về mặt nguyên tắc, công suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ
truyền động) có thể đƣợc tiêu tán trên trên 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 lƣới điện
cung cấp xoay chiều.
Chỉnh lƣu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lƣợng đi theo một chiều duy nhất. Vì
vậy, năng lƣợng từ động cơ không thể trả về lƣới mà chỉ có thể bị tiêu hao trên các
điện trở (Rh) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình
1.9). Trong trƣờng hợp công suất lớn thì đòi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dòng điện
lớn, khó khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tƣ. Mặt khác việc sử dụng điện trở
hãm để tiêu tán năng lƣợng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống.
A
B Cl ĐK
C
Chỉnh lƣu Nghịnh lƣu
Rh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Tr
http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nguyên
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều

27
A +
B _
Chỉnh lƣu
ĐK
C
-
Nghịnh lƣu
+
Nghịnh lƣu để
hãm tái sinh
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
Khi sử dụng chỉnh lƣu thyristor, có thể thực hiện việc biến đổi năng lƣợng để
chuyển trả về lƣới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngƣợc với sơ đồ chỉnh
lƣu một bộ chỉnh lƣu tƣơng tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu (hình
1.10). Quá trình biến đổi năng lƣợng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm
việc ở chế độ hãm diễn ra nhƣ sau: năng lƣợng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động
năng tích lũy đƣợc của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) đƣợc biến đổi
thàng năng lƣợng điện trong các cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lƣu của biến tần
làm việc ở chế độ chỉnh lƣu đƣợc chuyển thành năng lƣợng điện một chiều, sau khi
qua bộ nghịch lƣu thyristor đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện xoay chiều và đƣợc
chuyển vào lƣới điện xoay chiều.
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 công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó

28
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 đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng 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 dòng năng lƣợng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor.
Bộ biến đổi này còn 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, còn 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, còn có thêm
nhƣợc điểm là dòng điện qua lƣới chứa nhiều sóng điều hoà 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 yêu 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 yêu 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 yêu 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 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 công 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 công suất hai chiều thì vấn đề còn 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

29
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 xaoy
chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lƣu rất cồng kềnh, dòng 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 hoà bậc cao dòng điện lƣới.
- Hệ số cos cao.
- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều.
Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên [3], [11], [12].
Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu tích cực
PWM.

29
Chương 2
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ
SỬ DỤNG CHỈNH LƯU TÍCH CỰC PWM
2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhƣ đã phân tích trong chƣơng trƣớc, để động cơ trong hệ truyền động điện biến
tần - động cơ xoay chiều làm việc đƣợc ở chế độ hãm tái sinh (yêu cầu bắt buộc của
biến tần bốn góc phần tƣ) là phải chuyển đổi đƣợc năng lƣợng từ phía động cơ thành
năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣới điện. Để thực hiện vấn đề này có nhiều hƣớng
giải quyết, nhƣng phƣơng pháp có ƣu điểm nổi bật là sử dụng bộ biến tần với khâu
biến đổi điện áp xoay chiều của lƣới điện thành điện áp một chiều dùng chỉnh lƣu tích
cực PWM. Biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM có một số ƣu điểm nhƣ: có
khả năng ổn định đƣợc điện áp một chiều cấp cho khâu nghịch lƣu của biến tần; đảm
bảo khả năng trao đổi công suất hai chiều giữa nguồn và tải; cho phép động cơ làm việc
đƣợc ở các chế độ hãm khác nhau, mà đặc biệt là hãm tái sinh, nên động cơ có thể làm
việc trên cả bốn góc phần tƣ của hệ tọa độ; dòng qua lƣới có dạng rất gần hình sin; có
khả năng điều khiển đƣợc hệ số công suất cos của hệ thống truyền động, nhƣ vây có
thể điều khiển cho cos =1. Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung một chiều gồm hai
khâu cơ bản là chỉnh lƣu và nghịch lƣu. Phần nghịch lƣu đã có nhiều kết quả nghiên
cứu đƣợc áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân
tích phần nghịch lƣu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch đƣợc áp dụng phổ biến trong
truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lƣu điều khiển vector, khối nghịch
này cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều.
Nhƣ vậy, khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của động cơ trong hệ truyền động
điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lƣu, vì thế, nội dung cơ bản của
chƣơng này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của
chỉnh lƣu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc
ở bốn góc phần tƣ.

30
2.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM
Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lƣu điôt hoặc tiristor có ba nhƣợc điểm: không
thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lƣới (tức là chỉ làm việc đƣợc ở hai góc phần
tƣ), dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện xoay
chiều và hệ số công suất cos thấp khi sử dụng chỉnh lƣu điều khiển.
Biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đã khắc phục cả ba vấn đề tồn tại trên. Nó có
thể làm việc cả ở bốn góc phần tƣ, có khả năng trao đổi công suất giữa tải và lƣới
theo hai chiều. Dòng đầu vào có dạng rất gần hình sin và hệ số công suất có thể điều
chỉnh bằng 1.
Sơ đồ nguyên lý phần lực của biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày
trên hình 2.1.
uL
ĐK
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM
Sơ đồ trên bao gồm hai khối chỉnh lƣu (CLPWM) và nghịch lƣu (NL) có cấu
tạo nhƣ nhau và có chung mạch một chiều, vì vậy thƣờng gọi là sơ đồ “dựa lƣng
vào nhau” (back to back). Ngoài ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp
xoay chiều) có lắp thêm cuộn cảm L.
Để có chế độ làm việc bốn góc phần tƣ đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa
lƣới và tải, dòng điện chỉnh lƣu Id phải thay đổi đƣợc dấu. Ta gọi Id có dấu “+” khi nó
có chiều hƣớng về tải và ngƣợc lại có dấu “-” khi chiều của nó hƣớng về lƣới.

31
Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lƣới
về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lƣới Pd = Ud.Id < 0
Để thực hiện đƣợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:
- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.
- Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh
lƣu tự nhiên từ lƣới.
L R UL
L R
UL


IL U
iL UsS
LI
UL s jLIL
US
L
II
L
L
RIIR
L
a b RIL
IR
IL U US
IL ULL jLIL
>0

jjLILIL jLI
US I <0
IL
L 
Us IR
UL
RIL
d
c L
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector
a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM
b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu
c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1
d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1 (nghịch lưu)
- Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngƣợc kết hợp với tụ điện C và
các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hƣởng LC tạo nên điện
áp một chiều Udc > Ud0.
Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lƣu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một
pha và đồ thị vector nhƣ trên hình 2.2.

32
Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đó, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều,
Us là điện áp tải (mạch một chiều - nghịch lƣu - động cơ xoay chiều ) đƣợc quy đổi
về nguồn xoay chiều (điểm a). Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b.
Nếu điều khiển chỉnh lƣu PWM để vector dòng điện IL trùng pha với vector điện
áp lƣới UL thì cos =1 và công suất Pd > 0. Khi vector dòng điện IL ngƣợc pha với
vector UL thì cos =-1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh). Nhƣ vậy,
sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi
công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có thể điều chỉnh đƣợc giá
trị hệ số công suất cos bằng 1.
Im
U 3(010) U 2(110)
U 4(011) Re
U 1(100)
U 5(001) U 6(101)
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển
sù chuyÓn m¹ch c¸c kho¸ b¸n dÉn Sa, Sb, Sc
Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ngƣời ta dùng phƣơng pháp
biến điệu vector không gian theo nhƣ nghịch lƣu (SVPWM). Khi xem ba cặp IGBT
(hình 2.1) nhƣ là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khóa có hai trạng thái
đó ng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1, U 2, U3, U4, U5, U6
(hình 2.3a) và hai trạng thái không là U0 (000) và U7 (111). Các trạng thái đóng cắt
trình bày trên hình 2.3b.

k=0 U1
A
=1
B
=0
C
=0
a
b
c
S
S
S
k=2 U3
=0
=
1
=0
A
a
B
b
C
c
S
S
S
k=4 U5
A
=0
B
=0
C
=1
a
b
c
S
S
S
U0
A
=0
B
=0
C
=0
a
b
c
S
S
S
+
Udc
-
+
Udc
-
+
Udc
-
+
Udc
-
33
k=1 U2
=
1
=
1
=
0
c
A
a
B
b
C
c
S
S
S
-
k=3 U4
+
=0
=1
=1
Udc
a
b
c
A
S
B
S
C
S
-
k=5 U6
+
A
=1
B
=0
C
=1
Udc
a
b
c
S
S
S
-
U7
+
A
=1
B
=1
C
=1
Udc
a
b
c
S
S
S
-
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM
2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM
Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lƣu PWM có thể biểu diễn trên
tọa độ cố định- và tọa độ quay d - q bằng phƣơng pháp biến đổi tuyến tính
không gian vector [3], [11], [12]. Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số
công nghiệp không đổi1 = 2f1, khi đó:
ia + ib + ic = 0 (2.1)
Đồ thị vector điện áp, dòng điện của chỉnh lƣu PWM trên các hệ tọa độ cố
định- và hệ toạ độ quay d-q đƣợc biểu diễn trên hình 2.4

34
d

b uL
u1=LiL
q 
us
iL
id

Lt a
iq 
c
Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM
trong hệ toạ độ- và d-q
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM
Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lƣu (a , b , c)
U sab (Sa S b )Udc
U sab (Sb S c )Udc

U sab (Sc Sa )Udc

Điện áp pha
U sa f a Udc
U sb f b Udc

U sc f c Udc

Trong đó:
f 
2S
a (S
b S
c
)
a 3
(2.2)
(2.3)

35
f 
2S
b (S
a S
c
)
b 3
f
2S
c (S
a S
b
)
c 3
Với fa , fb , fc lấy giá trị 0 ,1/3 và2/3
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha
u a +
-
u
sa
S
a
u b
+
-
u
sb
S
b
u c +
-
usc
S c
1
R+pL
f a
1
R+pL
f b
1
R+pL
f c
i
dc
i
a -
+
+ -
ib + +
+ + +
+
+
-
i
a
+ -
1
pC
1
3
u
dc
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha
Ta có phƣơng trình điện áp:
 L.dIL 
UL
 R.I L
Us
(2.4)
dt
Viết dạng 3 pha:

U a
 R
i a
U b i b
U c i c
Phƣơng trình dòng điện:
36
 L d
i a

U
sa
i U
dt b sb
i c
U
sc
(2.5)
C
dU
dtc
 Sa i a Sb i b Sc ic
Cấu trúc mô hình đƣợc trình bày trên hình 2.5
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định -
Phƣơng trình điện áp CLPWM trong tọa độ cố định -:
(2.6)
U
L
 R
i
L
 L
d
i
L

U
s
U
L
i
L dt
i
L
U
s
C
dU
dtc
 (i LS i LS ) idc
Trong đó:
(2.7)
(2.8)
S 1 (2S  S S ); S 1 (S  S )

 a b c 
2 b c
Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ - đƣợc trình bày trên
hình 2.6

u L
+
S u s
S
us 
-
37
1 iL
R+pL
i
dc -
+
+
1
pC
u
dc
u L
+ - 1 iL
R+pL
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ-
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d - q
Ta có phƣơng trình điện áp:
diLd

U Ld Ri Ld L Li Lq
 U
sd
dt 
di
Lq


U Lq Ri Lq L Li Ld
 U
sq
dt 
C
dU
dtc
 (i LdSd i LqSq ) idc
Trong đó:
Sd S cost S sint
Sq S cost S sint
(2.9)
(2.10)

38
Mô hình
uLd
toán học chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.7.
idc
+ 1 iLd - 1 udc
- + R+pL ++ pC
usd
Sd
Sq
usq
uLq
-
+
+
 L
 L
1
R+pL iLq
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q
2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lưu PWM
Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh lƣu PWM đƣợc tính
trên tọa độ a , b , c và -

*
 u
a
i
a u
b
i
b  u c i c u i ui
p R eu.i 
1
 (2.11)
q I

  u  u ) u i  u 
u.i *
(u i i i i
m 3 bc a ca b ab c  


Trên tọa độ d - q
p (U Lq i Lq  U Ld i Ld )
3 
U
m
I
m
2 (2.12)

q (U Lq i Lq U Ld i Ld )



Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc

Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc

Similar to Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần - Động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư.doc