Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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
THÁI NGUYÊN - 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

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

2.6. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

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 ………………………

l
Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho bộ chỉnh lƣu

1
Tốc độ góc của từ thông stator so với stator

2
Tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor

A
Từ thông stator pha A

B
Từ thông stator pha B

C
Từ thông stator pha C

a
Từ thông rotor pha A

b
Từ thông rotor pha B

c
Từ thông rotor pha C

M2

Thành phần trục M (d) của vector từ thông rotor


Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q
cos
Hệ số công suất cơ bản
C
Tụ điện
ĐK
Động cơ không đồng bộ ba pha
DPC
Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)
f
Tần số
FOC
Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control)
i(t), i
Giá trị dòng điện tức thời
i
A
, i
B
, i
C
Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator
i
a
, i
b
, i
c
Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor

Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
i
Lq

Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q
i
M1
Thành phần trục M (d) của vector dòng stator động cơ
i
T1
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
Mô men quán tính
L
m1
Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động cơ
L
t1
, L
t2

Điện cảm tản cuộn dây stator và rotor
M
Mô men, mô men động cơ
M
c

Công suất biểu kiến
S
a
,S
b
,S
c

Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
t
Giá trị thời gian tức thời
T
Chu kỳ
U

Vector điện áp đặt vào động cơ
U
1
Sóng hài bậc nhất điện áp đầu ra khối nghịch lƣu của biến tần
u
M1

Thành phần trục M của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
u
T1

Thành phần trục T của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ
M- T
L


7
toạ độ  - 
u
s

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

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

Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục
toạ độ d - q
U
dc
Điện áp một chiều
V
a, b, c
Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ
VFOC
Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented
Control)
VOC
Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented Control)
W, W


là chỉ số sóng hài)….
25
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R
h
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 S
a
, S
b
, S
c

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
PWM với các phương pháp điều khiển …………………………………
47
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………………


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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ;

) Góc giữa trục M và
trục

(trục A)…………………………………………………

86
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 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 = f
đm

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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
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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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 U
1
/
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 E
s

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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
tần trực tiếp nhƣ trên hình 1.1.
Bộ biến đổi này chỉ dùng một
khâu biến đổi là có thể biến đổi
nguồn điện xoay chiều có điện
áp và tần số không đổi thành
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).
Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận
ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều
khiển làm việc theo chu kỳ

1

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
AC
AC
~ 3
U
1
, f
1
Biến tần
xoay chiều -
xoay chiều
~ 3
U
2
, f
2
Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp
(xoay chiều - xoay chiều)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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.

=/2
Điện áp đầu ra
Điện áp trung bình đầu ra
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay
chiều-xoay chiều hình sin
Sơ đồ
chỉnh
ngƣợc ở
chế độ
nghịch
l-u
u
Sơ đồ chỉnh
thuận ở chế
độ chỉnh lƣu
Sơ đồ
chỉnh
thuận ở
chế độ
nghịch
lƣu
Sơ đồ chỉnh
ngƣợc ở chế
độ chỉnh lƣu
i
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
t
u, i


khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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
có các cấu trúc khác nhau, cấu
trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình
1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu
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 U
2
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

,U
2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21 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

, U
2Lọc 1
b
Lọc 2
Bộ biến
đổi xung
điện áp
Nghịch lƣu
 3
f
1
, U
1

Chỉnh lƣu
không
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
PWM
c

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

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.

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
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector
 3
f1, U1
Chỉnh lƣu
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc

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).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

26
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 (R
h
) 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.