ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN THỊ HOÀN
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT
CHIỀU BỐN GÓC PHẦN TƯ
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH
08/2009

MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU 10
1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG THIRISTO – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (T-Đ) 10
1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG THIRISTO – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (T-Đ) 10
1.1.2. CHẾ ĐỘ DÒNG LIÊN TỤC 11
1.1.1. Chế độ dòng liên tục 11
1.1.3. HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH 13
1.1.2. Hiện tượng chuyển mạch 13
1.1.4. CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN 15
1.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn 15
1.2. PHÂN TÍCH SÓNG HÀI BẬC CAO 18
1.2. PHÂN TÍCH SÓNG HÀI BẬC CAO 18
1.4. DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN 22
1.3. DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN 22
1.4. QUÁ TRÌNH ĐẢO CHIỀU Ở HỆ T- Đ 24

2.3.2.4. Xác định mẫu xung cho từng sector 41
2.4. KẾT LUẬN 49
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU PWM CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU 50
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU PWM CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU 50
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: 50
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 50
3.2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỐN GÓC PHẦN TƯ FQR (FOUR – QUADRANT PWM RECTIFIER)
CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU DC 50
3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH 51
3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH 51
3.3.1. Động cơ một chiều 51
3.3.1. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 52
3.3.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 52
3.3.2. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 53
3.3.3. SỐ HÓA BỘ ĐIỀU CHỈNH 55
3.3.3. Số hóa bộ điều chỉnh 55
3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ CÔNG SUẤT TÁC DỤNG 56
3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ CÔNG SUẤT TÁC DỤNG 56
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 58
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 58
4.1. MÔ PHỎNG BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BỐN GÓC PHẦN TƯ 58
4.1. MÔ PHỎNG BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BỐN GÓC PHẦN TƯ 58
4.1.1. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỈNH LƯU PWM 58
4.1.1. Mô hình mô phỏng chỉnh lưu PWM 58
4.1.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 61
- 3 -

4.1.2. Kết Quả mô phỏng 61

R
A
Điện trở phần ứng
L
A
Điện cảm phần ứng
M Động cơ một chiều
ω Tốc độ quay của động cơ
ω
*
Giá trị tốc độ đặt
i
sd
Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q
i
sq
Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q
P Công suất tác dụng
Q Công suất phản kháng
RI Khâu điều chỉnh dòng điện
Rω Khâu điều chỉnh tốc độ
THD Hệ số méo dạng dòng điện
BBĐ Bộ biến đổi
MBA Máy biến áp
PLL Khối đồng pha
LC Mạch lọc LC
DC Động cơ một chiều
ADC Bộ chuyển đổi tương tự số (Analog -to Digital Converter)
I/O Cổng vào ra (Input/ Output)
PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

0
)
Hình 1.10 Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
(α = 90
0
)
Hình 1.11 Ảnh hưởng của m,L khi chỉnh lưu
a) Ba pha hình tia
b) Ba pha hình cầu
Hình 1.12 Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng
Hình 1.13 Mô hình khâu LOG
Hình 1.14 Diễn biến quá trình đảo chiều.
Hình 1.15 Mô hình mô phỏng quá trình đảo chiều động cơ
Hình 1.16 Đặc tính tốc độ (rad/s)
Hình 1.17 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud
Hình 1.18 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud giai đoạn đảo chiều
Hình 2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư
Hình 2.2 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi bốn góc phần
Hình 2.3 Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng
Hình 2.4 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi hai góc phần tư
Hình 2.5 Vector không gian dòng xoay chiều đầu vào khi I
dc
> 0
Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi I
dc
< 0
- 6 -

Hình 4.16 Đặc tính tốc độ động cơ giai đoạn có đảo chiều
- 7 -

Hình 4.17 Đặc tính dòng điện đầu vào
Hình 4.18 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC
Hình 4.19 Đặc tính điện áp đầu vào
Hình 4.20 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Hình 4.21 Đặc tính điện áp một chiều.
Hình 4.22 Đặc tính điện áp một chiều lúc ổn định
Hình 4.23 Đặc tính dòng điện một chiều
Hình 4.24 Đặc tính mô men động cơ
Hình 4.25 Cấu trúc thực nghiệm tổng quát
Hình 4.26 Mô hình thực nghiệm
Hình 4.27 Nguồn cấp cho sơ cấp MBA xung
Hình 4.28 Nguyên lí của mạch nguồn cho một driver
Hình 4.29 Nguyên lý driver phát xung cho van MOSFET
Hình 4.30 Cấu trúc R&D DS1104Mô hình cấu trúc
Hình 4.31 Giao diện của card ds1104 với ngoại vi
Hình 4.32 Giao diện điển hình dùng DS1104
Hình 4.32 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển
Hình 4.34 Mô hình thực nghiệm chỉnh lưu
Hình 4.35 Ba pha mạch chỉnh lưu.
Hình 4.36 Một pha của mạch chỉnh lưu
Hình 4.37 Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số
Hình 4.38 Đặc tính tốc độ
Hình 4.39 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay
Hình 4.40 Điện áp đầu vào
Hình 4.41 Dạng xung cho 6 van
Hình 4.42 Tín hiệu vào và tín hiệu mở van
- 8 -

Tác giả
- 9 -

Trần Thị Hoàn
CHƯƠNG 1
PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU
1.1. Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ)
Trong hệ thống truyền động thyristor - động cơ một chiều (T- Đ), bộ biến đổi
điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ
E
d
phụ thuộc vào giá trị của pha xung
điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp
phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền
động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn
cứ vào các dấu hiệu sau đây:
- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v….
- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, và không đối xứng
- Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thòi gian một chu kỳ điện áp nguồn:
- Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [U
d
,I
d
]:
- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc:
- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.
- Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào
các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích
từ (L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Để tìm hiểu hoạt đông của hệ T-
Đ ta hãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ

(1-1)
- 10 -

2
2
( )
2 1
1
W
R R R
ba
W
= +

DC
U
đk
CKT
+
-
L
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều
1.1.1. Chế độ dòng liên tục
Khi dòng điện chỉnh lưu
i
d
là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình
dòng điện và điện áp như trên Hình 1.3. Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối
tiếp nhau, giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau:
2 /

.sin
2
m
E U
do m
m
Trong đó:
0
ϖ

- tần số góc của điện áp xoay chiều;

α
- góc mở van (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên
0
α

- góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương;
m - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều
- 11 -

t
e
ω
0

U
U
2a
U

p
R
E
m
U
−
2
2
b)
E
d
E
do
2/
π
π
a)
α
0

Hình 1.2. Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha.
Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 1.2 là:
sin( )
2 0
di
d
U E Ri L
m d
dt
θ α

Trong đó:
ar
L
e
ctg
R
ϖ
ϕ
=
- 12 -
~ ~ ~
E
d
E
R
L
T
1
T
2
T
3
I
d
U
2a
U
2b
U
2b

1
T
2
T
3
i
d
K
L
R
E
N
U
d

U
U
2a
U
2b
E
d
m
π
m
π
2
m
π
2

ω
a)
b)

Hình 1.3. Chỉnh lưu hình tia ba pha. a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đồ thị thời gian.
Nếu gọi góc dẫn của van là λ thì có thể tính được thành phần một chiều của
dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ:
sin sin( )
0
2 0
2 2 2 2 2
m m
I i d U E
d m
R
λ λ λ
λ
θ α
π π
 
= = + −
∫
 
 
(1-4)
Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu thì được tính bởi biểu thức đơn
giản hơn:
os
0
0

chuyển mạch là:
1
2
di
U L Ed
a k
dt
µ
− =

2
2
di
U L Ed
b k
dt
µ
− =

Để ý rằng
1 2
i i i
d
+ =
và nếu coi
1 2
di di
dt dt
= −
thì:

U
m
m
I
mk
L
e k
π
ϖ
=

Quá trình chuyển mạch kết thúc khi
0,
1 2
i i i
d
= =
nếu trong (1-7) ta đặt
2 d
i i=
tại
θ α π
= +
thì có thể tính được góc chuyển mạch μ:
ar ccos( os )
I
d
c
I
mk

π
9
5
π
3
2
π
9
7
π
9
8
π
π
α
µ
0
® 2
/ 0,50
m
I I
ω
=

Hình 1.5. Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các dòng
điện chỉnh lưu khác nhau.
Trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị
1
I
d

d
θ α λ
= ≤ ≤ +

Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện:
2
,
0
e E
d
p
π
α λ θ
= + ≤ ≤

Có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong (1-3) đặt
0
0
I
=
[ ]
( )cos
0
os sin( ) os sin( )
0
tg
I I c c e
d m
θ λ α ϕ
ϕ θ ϕ ε ϕ α λ ϕ ε

2b
U
2c
0
E
d
E
t
e
ω
o
α
ϕ
λ
2
m
π
t
e
ω
i
u
a)
0
i
2
m
U
R
E

i
d

Hình 1.6. Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục.
Trong trường hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì phương trình mô
tả mạch Hình 1.4 sẽ là:
sin
2
di
d
U E L
m
dt
θ
= +
(1-9)
Và nghiệm tổng quát của nó như sau nếu gọi C là hằng số tích phân:
2
( os )
U
E
m
i c C
d
L L
e e
θ θ
ϖ ϖ
= − − +
Khi

và tăng đến giá trị cực đại tại điểm
mà ở đó
0
2
di
L U E
a
dt
= − =
và giảm đến bằng không tại
0
θ α λ
= +
.
Nếu đặt
* *
2
, ,
2
U i
E
m d
I i
m d
U L I
m e m
ε
ω
= = =
thì có thể viết được biểu thức tính dòng

Đây là quan hệ hàm ẩn giữa ba biến số
, ,
0
λ α ε
có thể giải bằng cách thử lặp
hoặc là bằng phương pháp đồ thị. Trong trường hợp giữ nguyên góc điều khiển
ons
0
c t
α
=
nhưng tăng dần sđđ E của động ở (ε) thì góc dẫn λ sẽ giảm dần và khi
sin
2 0
E U
m
α
=
thì λ = 0 tức là không có dòng chảy trong mạch. Lúc này mômen
động cơ cũng sẽ bằng không, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại
xuất hiện trong mạch nhưng tương ứng với tốc độ thấp hơn. Vì thế, ở chế độ dòng
điện gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ trở nên rất dốc.
Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương
đối được tính như sau:
* *
0
( )
2
0
os os( ) sin sin( )

và giảm dần E, góc dẫn λ sẽ
dài dần ra và khi
2 / m
λ π
=
thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục (xem hình
1.6b) giá trị đó của sđđ E (tương ứng
/
2
E U
m
ε
=
) ứng với trạng thái biên giới liên
tục và có thể tìm được nó nếu đặt
2 / m
λ π
=
vào (1-12) và (1-13)
os os( 2 / )
0 0
sin os
2 /
c c m
m m
c
blt
m
α α π
ε α

nên
*
( sin os )sin
m m m
I c
blt
m
α
π π
= −
(1-16)
- 17 -

2
( sin os )sin
U
m m m
m
I c
blt
L m
e
α
ϖ π π
= −
(1-17)
Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián
đoạn ta tính
osc
α

Use the Powergui FFT tool to display
the spectrum of Scope signals stored in
the 'psbconverter_str' structure.
Continuous
i
+
-
iB
i
+
-
iA
v
+
-
Vd
v
+
-
Vca
Vc
v
+
-
Vbc
Vb
v
+
-
Vab

Hình1.7. Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor
Do sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu mà dòng điện qua nguồn điện xoay chiều
có dạng khác sin. Phân tích đường cong dòng điện nguồn ra chuỗi Puriê ta được
đường cong hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn được gọi là sóng hài bậc nhất
dòng điện nguồn và tổng vô hạn các thành phần hình sin khác có tần số lớn hơn tần
số điện áp nguồn một số nguyên lần được gọi là các sóng hài bậc cao dòng điện
nguồn.
Hệ truyền động T - Đ sử dụng bộ chỉnh lưu dùng thyristor là phần tử phi tuyến
gây nên sóng điều hòa bậc cao.
Khi động cơ làm việc sự có mặt của thyristor sẽ làm cho tín hiệu nguồn bị méo
so với tín hiệu hình sin. Dòng điện phía lưới không sin và chứa các thành phần sóng
điều hòa bậc cao .Đặc biệt là các thành phần bậc 5 và 7. Nó được biểu hiện bằng hệ
số méo dạng THD.
Hệ số méo dạng dòng điện:
2
2
1
I
n
n
THD
I
∞
∑
=
=
Trong đó :
1
I
: Biên độ thành phần dòng cơ bản

Mag (% of Fundamental)
Hình 1.8. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
(α = 0
0
)
Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển α = 0
0
thì hệ số
méo dạng THD = 14.51%
Trường hợp 2: Góc điều khiển α = 60
0
- 20 -

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-40
-20
0
20
40
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0
5
10
15
20

80
100
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 0.4017 , THD= 144.45%
Mag (% of Fundamental)
Hình 1.10. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
(α = 90
0
)
Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển α = 90
0
thì hệ
số méo dạng THD = 144.45%
Theo các kết quả trên ta thấy : Sóng hài bậc cao phụ thuộc vào sự thay đổi góc
điều khiển α, góc điều khiển α càng lớn thì độ méo dạng của dòng điện do sóng hài
bậc cao gây ra càng lớn.
1.3. Dòng điện gián đoạn
Theo phân tích về dòng điện gián đoạn trên ta thấy rằng hiện tượng gián đoạn
xảy ra phụ thuộc vào một trong các yếu tố sau đây
- Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích
lũy trong mạch khi dòng điện tăng (
2
2
I
L
) không đủ duy trì tích chất liên tục của
dòng điện khi nó giảm dẫn đến hiện tượng dòng điện trở về không trước khi van kế

2m
)
ứng với trạng thái biên giới liên tục.
- Hiện tượng gián đoạn xảy ra còn phụ thuộc vào điện cảm L và số xung áp đập
mạch xoay chiều m
Theo công thức 1-18 ta tìm được biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và
vùng dòng điện gián đoạn :
*
2 2
( ) ( ) 1
sin sin cos
blt blt
I
m m
m m m
ε
π π π
π π
+ =
−
Đây là đường elip với các trục là trục tọa độ của các đặc tính cơ. Elip này tạo
thành biên liên tục của vùng dòng điện gián đoạn như sau: Phía trong vùng elip là
vùng dòng điện gián đoạn còn phía ngoài elip là vùng dòng điện liên tục.
Tập hợp các điểm trạng thái biên [ω
blt
, I
blt
] khi thay đổi góc điều khiển α = 0
π gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ, là đường cong nét đứt
trên hình 1.21. Trong đó hình 1.21b là đặc tính động cơ tương đương nhưng chỉnh

Trong đó mạch lực gồm 6 cặp tiristor đấu song song ngược làm thành hai
bộ biến đổi: một bộ làm việc với chiều quay tthuận của động cơ còn bộ kia làm
việc theo chiều ngược. Mạch điều khiển hai bộ được điều khiển bằng hai khóa
1
K
,
2
K
. Giả sử động cơ làm việc bình thường ở chiều thuận bộ BBĐ_1 làm việc
ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ nhất, BBĐ_2 khóa hoàn toàn. Ngược lại ở
chế độ ngược thì BBĐ_2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu trong góc phần tư thứ 3
trong khi BBĐ_1 khóa hoàn toàn.
Khi truyền động đảo chiều hoặc giảm tốc sẽ thực hiện ở góc phần tư thứ
2 do BBĐ_2 đảm nhận hay ở góc phần tư thứ 4 do BBĐ_1 đảm nhận. Tuy
nhiên việc thực hiện chuyển từ BBĐ_1 và BBĐ_2 cho nhau phải thực hiện qua
điều kiện logic chặt chẽ.
1.4.2. Phân tích đảo chiều
Giả sử hệ đang làm việc ở chiều thuận với BBĐ_1 khi có lệnh đảo chiều
sang chiều ngược. Tín hiệu điều khiển
dk
U
giảm và đổi dấu từ dương sang âm
làm góc điều khiển tăng đến
2
π
α
>
,
1d
E