ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
MỤC LỤC
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ BIẾN TẦN
1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.
Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện
tử công nghiệp. Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh
kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc
biệt có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được
những đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa
học nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra
đời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell
Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng
trong kĩ thuật điện tử. Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ
thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu
chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được
mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số.
Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện tử công suất thì
chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi
độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất.
Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của
các linh kiện.
Linh kiện Năm xuất
hiện
Điện áp
định mức
Dòng điện
định mức

của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển
tốc độ động cơ theo phương pháp này.
3.1. Luận chứng kinh tế
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
• Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt
gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm
45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi
lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ
việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
3.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay
đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương
thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán
dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu

• Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…
Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc
nhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Ưu điểm của biến tần đa
bậc là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần
sin hơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao. Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng
chỉ gần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc
có tổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp. Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa
bậc còn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao,
công suất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so
với biến tần đơn bậc. Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
hỏi công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một
giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những đòi hỏi đặt ra.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
II. BIẾN TẦN TRỰC TIẾP
1. Giới thiệu
Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển
đổi công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển
đổi công suất khác. Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong
thời gian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và
công suất còn thấp. Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off
thyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công
suất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công
suất cao. Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi
SCR được sản xuất. Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương
tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980. Các tính toán điều khiển cho tất
cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi. Biến tần trực tiếp

điện áp tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa.
Hình 2. Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 3. Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L
Hình 4. Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.
Hình a. Thời gian đóng cắt của linh kiện.
Hình b. Biểu đồ hệ số công suất
Điện áp ngõ ra có công thức:
Điện áp tức thời.
Hệ số công suất (Power factor)
2.2. Biến tần trực tiếp ba pha.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

Hình 5. Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC
Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau
rất đơn giản. Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b
thì chịu dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thì
không cao, góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải
R. Trong hình c và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển. Cả hai mô hình
trong mỗi pha có hai SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dòng
giữa tải và nguồn. Trong hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đây
dòng có thể chuyển đổi giữa hai dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn
đều có một xung kích khác nhau. Sóng điện áp và dòng gần giống như là của hình b.
Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và
mỗi SCR dẫn trong 120 độ. Mô hình f thì ít được sử dụng nhưng nó có dòng lớn và


Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC
a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha
b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.
Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng
vi mạch điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện
cho nguồn công suất có tốc độ chậm. Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF)
được sử dụng trong các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong
các hệ thống cán thép và hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền
sản xuất da dày…
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những
đặc tính của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR
và được thay thế dần. Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắt
không đáp ứng, tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp.
Hạn chế chính của biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biến
đổi ngõ vào trên ngõ ra có điện áp thấp.
Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số 50-
16.2/3 Hz.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 8: Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10
Hz với tải trở. Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng

lưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1. Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa
chu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên
để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn.

LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
III.BỘ NGHỊCH LƯU
1.Giới thiệu chung.
Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ
ra xoay chiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều. Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầu
trong các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục. Với các
ngõ ra là sóng sin xoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển. Tùy
vào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là
các bộ nghịch lưu nguồn áp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoay
chiều được điều khiển một cách độc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hết
được sử dụng rộng rãi vì chúng hoạt động như các nguồn áp và điều này được yêu cầu
trong nhiều ứng dụng trong công ngiệp trong đó, các động cơ có thể điều chỉnh được
tốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất của các bộ nghịch lưu, xem hình 3.1.

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độ
Tương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs:
Current Source Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóng
dòng điện. Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công
nghiệp có điện áp trung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao.
Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từ
các bộ chuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạo
thành từ các giá trị rời rạc. Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin như

dừng lại hoặc giảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảo
ngược vì thực tế điện áp liên kết một chiều là cố định. Nếu một tụ điện được dùng để
duy trì điện áp liên kết một chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tán
hoặc được hồi về hệ thống phân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên
từ từ. Cách đầu tiên là yêu cầu tụ điện liên kết một chiều được nối song song với một
điện trở, và nó phải được đóng ngăt một cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từ
tải của động cơ về dc link. Một cách lựa chọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệ
thống phân phối. Tuy nhiên, cách này cần một giao thức đảo ngược dòng được nối
giữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều. Một phương pháp mới là dùng các
kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-end rectifer technologies), với
chế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống.
Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạng
nguồn dòng và áp. Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng
và áp đều có thể được giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trong
ASDs chuẩn hoặc được thay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng có
điện áp trung bình. Đặc biệt ta sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế,
phương diện điều khiển, hướng ứng dụng. Để quá trình phân tích được đơn giản hơn,
ta coi như các bộ nghịch lưu là các giao thức không có sự tiêu tốn (gồm các khóa
công suất lý tưởng). Tuy nhiên, một vài điều kiện thực tế, không lý tưởng cũng sẽ
được đề cập đến.

LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha
Các bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu.
Mặc dù công suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các
bộ cung cấp nguồn (power supplies). UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh
có công suât cao phức tạp hiện nay (form elaborate high-power static power
topologies)
2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng
điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i)
dòng điện của công tắc S+ ; (j) dòng của diode D+.
2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.
Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo =
vAN theo như dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một
cách thích hợp các khóa công suất. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng
mang cơ bản xác định các trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
nghịch lưu bằng cách so sánh một tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều
mong muốn) và một sóng tam giác v∆ (tín hiệu sóng mang). Trong thực tế, khi vc >
v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt. Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và
công tắc S- đóng.

Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số
fc và biên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ . Đây là loại
điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM). Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma
(còn được coi là tỉ số biên độ điều chế) được xác định là:
(3.1)
Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:
(3.2)
Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng
sóng sin cơ bản có chứa hài, với các đặc điểm sau:
Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thức sau:
(3.3)
b. Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần
số fh xung quanh mf và các bội số của nó
h = lmf ± k l = 1, 2, 3, ……
với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …

mức điện áp cao hơn đạt được bằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuy
nhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều. Các giá trị rất lớn
của hệ số điều chế (ma > 3.24) điện áp ngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó được
xem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông.
2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique).
Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều.
Kỹ thuật này tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định.
Hình 3.5 cho ta thấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h =
3, 5, 7, 9, … và ứng với một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ ra
xoay chiều của thành phần cơ bản được cho bởi:
(3.6)
LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH
ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150
Và biên độ của các hài được cho bởi:
(3.7)
Ta có thể xem như điện áp ngõ ra xoay chiều không thể thay đổi được bằng bộ
nghịch lưu. Tuy nhiên, ta có thể thay đổi bằng cách điều khiển điện áp liên kết một
chiều vi. Các kỹ thuật điều chế khác cũng có thể được ứng dụng trong cấu hình bán
cầu (như kỹ thuật loại trừ hài có chọn lựa).
Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ
thuật điều chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp
ngõ ra xoay chiều.
2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination):
Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sin
với thành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi và
các hài thực chất được loại trừ một cách có chọn lọc. Điều này đạt được bằng cách tạo
ra một cách chính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (power