MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................................9
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................10
Chương 2........................................................................................................................ 15
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN........................15
Hình 2.1 Dây chuyền cắt bao bì - túi nylon....................................................................18
Hình 2.2 Hệ thống thổi - cuộn túi nylon.........................................................................19
Hình 2.3 Cầu trục (cơ cấu nâng hạ)................................................................................19
2.5Sơ đồ cấu trúc tổng quát của biến tần........................................................................20
Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát hoạt động của biến tần...........................................................20
Hình 2.5 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần...............................................................20
Hình 2.6 Bộ chỉnh lưu biến tần.......................................................................................21
Hình 2.7 Tuyến dẫn một chiều........................................................................................22
Hình 2.8 IGBT...............................................................................................................23
Hình 2.9 Bộ điện kháng xoay chiều................................................................................24
Hình 2.10 Bộ điện kháng một chiều...............................................................................25
Hình 2.11 Điện trở hãm..................................................................................................26
Chương 3........................................................................................................................ 27
NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN.........................................................................................27
3.1Các khái niệm cơ bản................................................................................................27
Hình 3.1 Các loại bộ biến đổi cơ bản.............................................................................27
3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp [2]..............................................................................29
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nửa cầu một pha (half bridge).............................29

1


Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu hình tia và sơ đồ nghịch lưu cầu một pha............30
Hình 3.4 Nghịch lưu một pha dùng máy biến áp có điểm giữa.......................................31
Hình 3.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện ở nghịch lưu.................................................33

Tiếp điểm thường đóng..................................................................................................51
K2................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường mở.....................................................................................................51
4.2.2Thiết kế sơ đồ lắp đặt.............................................................................................52
Hình 4.6 Thiết kế sơ đồ lắp đặt.......................................................................................52
Hình 4.7 Mặt panel thí nghiệm.......................................................................................53
Hình 4.8 Sản phẩm thực tế.............................................................................................54
Hình 4.9 Sản phẩm thực mặt panel.................................................................................55
Hình 4.10 Mô hình hoàn thiện........................................................................................56
Chương 5........................................................................................................................ 57
NGHIÊN CỨU CHẠY THỬ..........................................................................................57
5.1 Hệ thống các module thử nghiệm.............................................................................57
Hình 5.1 Sản phẩm hoàn thiện........................................................................................58
Hình 5.2 Hệ thống các module thử nghiệm mô hình biến tần.........................................59
5.2Xây dựng chương trình thử nghiệm...........................................................................60
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng nguyên lý nghịch lưu trên Proteus........................................61
Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính..............................................................62
Hình 5.5 Thuật toán chương trình ngắt điều chế SPWM................................................63
Hình 5.6 Thuật toán chương trình ngắt điều chế vector PWM.......................................64
5.3Kết quả thử nghiệm...................................................................................................66
Hình 5.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (20σ/div)...............................66

1


Hình 5.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điều chế PWM (500σ/div).............................66
Hình 5.9 Dạng sóng điện áp đầu ra một pha trên tải (5ms/div)......................................67
Hình 5.10 Dạng sóng điện áp đầu ra ba pha trên tải (5ms/div).......................................68
Hình 5.11 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (50µs/div)......................68
Hình 5.12 Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu pha A và B (2,5ms/div)....................68



Hình 3.15 Biểu diễn vector không gian..............................................................................46
Hình 4.1 Sơ đồ khối nguyên lý của thiết bị biến tần [3].....................................................48
Hình 4.2 Cấu trúc tổng quát thiết bị biến tần......................................................................49
Hình 4.3 Cấu trúc đề xuất hệ biến tần phục vụ thí nghiệm.................................................50
Hình 4.5. Sơ đồ lắp điện.....................................................................................................51
Bảng 4.1 Giải thích kí hiệu.................................................................................................51
Kí hiệu................................................................................................................................ 51
Ý nghĩa............................................................................................................................... 51
S1....................................................................................................................................... 51
Khóa nguồn........................................................................................................................ 51
S2....................................................................................................................................... 51
Công tắc.............................................................................................................................51
K1....................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường đóng......................................................................................................51
K2....................................................................................................................................... 51
Tiếp điểm thường mở.........................................................................................................51
4.2.2Thiết kế sơ đồ lắp đặt.................................................................................................52
Hình 4.6 Thiết kế sơ đồ lắp đặt...........................................................................................52
Hình 4.7 Mặt panel thí nghiệm...........................................................................................53
Hình 4.8 Sản phẩm thực tế.................................................................................................54
Hình 4.9 Sản phẩm thực mặt panel.....................................................................................55
Hình 4.10 Mô hình hoàn thiện............................................................................................56
Hình 5.1 Sản phẩm hoàn thiện............................................................................................58
Hình 5.2 Hệ thống các module thử nghiệm mô hình biến tần.............................................59
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng nguyên lý nghịch lưu trên Proteus............................................61


Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính..................................................................62


LỜI MỞ ĐẦU
 Tính cấp thiết của đề tài:
Việt Nam ta ngày phát triển và giàu mạnh. Một trong những thay đổi đáng kể là Việt Nam đã
gia nhập “WTO”, một bước ngoặc quan trọng để đất nước thay đổi bộ mặt nghèo nàn của
mình, để chúng ta con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiểu thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc
biệt là về các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện Tử nói riêng.
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.
Cùng với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất, thiết bị biến tần được phát minh và
ứng dụng từ những năm 1970 để điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện xoay chiều. Ngày nay
kết hợp với sự tiến bộ về khả năng tính toán điều khiển của các hệ vi xử lý, thiết bị biến tần
đã có những tiến bộ vượt bậc về khả năng điều khiển cho động cơ điện xoay chiều. Với các
thuật toán điều khiển mới dựa trên nền tảng về khả năng xử lý của các hệ vi xử lý, hệ thống
điều chỉnh truyền động biến tần - động cơ điện xoay chiều đã và đang dần thay thế cho các
hệ thống điều chỉnh dùng động cơ điện một chiều trước đây. Do đó các hệ thống điều chỉnh
biến tần – động cơ hiện nay được sử dụng ở trong hầu hết các nhà máy công nghiệp, các hệ
thống điều khiển tự động, trong các thiết bị dân dụng…nơi có đòi hỏi điều chỉnh tốc độ,
mômen động cơ. Với vai trò quan trọng như vậy, nên thiết bị nghịch lưu, biến tần là phần
không thể thiếu trong các bài giảng về điện tử công suất hiện nay. Kiến thức về thiết bị này
giúp cho các sinh viên sau khi tốt nghiệp có khả năng tiếp cận và làm chủ ngay với các thiết
bị thực tế trong công nghiệp. Hệ thống các bài thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc
liên hệ giữa lý thuyết với thực hành nhằm giúp cho các sinh viên cũng cố vững chắc kiến
thức về thiết bị và tự tin hơn khi làm việc với các hệ thống biến tần sau này.
Trước những vấn đề nêu trên, chúng em đã chọn đề tài: ” Thiết kế cải tạo bộ thí nghiệm
điều khiển nghịch lưu ba pha”.



Điện thoại: 043 7550643

1.1.2 Chức năng nhiệm vụ: Đào tạo kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự
động hóa
1.1.3 Lịch sử xây dựng và phát triển:
Bộ môn Tự động hoá Xí nghiệp Mỏ và Dầu khí được thành lập theo quyết định số số
89/MĐC/TCCB ngày 28 tháng 03 năm 2002 của Hiệu trưởng trường Đại học Mỏ - Địa chất
trên cơ sở lànhóm “Tự động hoá và Truyền động điện” thuộc Bộ môn Điện khí hóa (Bộ môn
Cơ – Điện cũ).
Bộ môn được thành lập với chức năng nhiệm vụ là trực tiếp thực hiện nhiệm vụ đào tạo
các hệ và các bậc trong trường, thực hiện công tác nghiên cứu khoa học, triển khai công
nghệ, bồi dưỡng giảng viên, nhân viên phục vụ đào tạo và quản lý trực tiếp sinh viên.
Từ những ngày đầu thành lập Bộ môn chỉ có 8 cán bộ, giảng viên cho tới nay Bộ môn đã
phát triển và có tổng số 17 cán bộ, giảng viên. Trong đó có 01 PGS.TS, 05 TS, 11 ThS (trong
đó có 03 nghiên cứu sinh nước ngoài).
Sau gần 15 năm phát triển, các cán bộ của Bộ môn cùng với các Bộ môn trong Khoa đã
đào tạo hàng nghìn kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Cơ điện mỏ, Điện khí hoá và Tự động
hoá. Từ năm 2002 đến nay Bộ môn đã quản lý và đào tạo được gần 2000 kĩ sư Kỹ thuật điều
khiển và tự động hóa, góp phần đào tạo thành công khoảng 150 thạc sĩ và 10 tiến sĩ. Số sinh


viên chính quy có 150 SV/năm ở cả hai miền Nam - Bắc; khoảng 50 sinh viên Cao đẳng và
Liên thông cao đẳng - đại học; và 1 đến 2 Nghiên cứu sinh.
Bên cạnh công tác đào tạo, Bộ môn còn tham gia tích cực vào các hoạt động nghiên cứu
khoa học. Các cán bộ của Bộ môn đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu cơ sở và đề tài thực
tế sản xuất. Bộ môn đã trực tiếp lãnh đạo chỉ đạo các cán bộ hướng dẫn sinh viên tham gia
các cuộc thi Robocon, Robot Rosnef.
Với những hoạt động kể trên, Bộ môn đã nhiều lần đạt danh hiệu “Tập thể Lao động
Xuất sắc”, “Tập thể Lao động giỏi”. Nhiều cá nhân của Bộ môn đã được nhận Bằng khen của


PGS. TS Đào Văn Tân

o

PGS. TS Thái Duy Thức

o

ThS Nguyễn Chí Dũng

1.1.5 Cơ sở vật chất: Bên cạnh văn phòng làm việc, Bộ môn Tự động hóa hiện đang
quản lý 02 Phòng thí nghiệm phục vụ công tác đào tạo Chuyên ngành Tự động hóa với:
•

Hệ thống các thiết bị PLC;


•

Hệ thống các thiết bị biến tần;

•

Hệ thống các Kit Vi điều khiển, DSP;

•

Bàn thí nghiệm đo lường;


Chương 2
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.1 Khái niệm chung.
2.1.1 Định nghĩa:
- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện xoay
chiều có tần số khác có thể thay đổi được. Đối với các biến tần dùng trong việc điều
chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó còn có thể thay đổi
điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần.
2.1.2 Phân loại biến tần:

Biến tần thường được chia làm hai loại:
-

Biến tần trực tiếp

-

Biến tần gián tiếp

2.1.3 Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua
khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới (f 1

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 điểm chính của
các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến
tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
-

Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.

-

Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.


-

Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng

như thay mới.
-

Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có
hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra, các hệ truyền động còn
nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động
êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết
bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này.

2.3 Ứng dụng của biến tần
2.3.1 Tiết kiệm điện:
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán
dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ

Biến tần đa dạng về chủng loại như: Yaskawa, LS, Delta, Fuji, Mitsubishi, Siemens...
Đồng tốc 2 động cơ cuộn - nhả, ổn định sức căng giữa 2 đầu
Hỗ trợ điều khiển
vector

dòng

điện

vòng hở / vòng kín
(dùng

Encoder),

điều khiển V/f vòng
hở / vòng kín (dùng
Encoder) giúp nâng
Hình 2.1 Dây chuyền cắt bao bì - túi nylon

cao độ chính xác cho
các dây chuyền cần
sự phối hợp đồng bộ


Điều khiển động cơ
đùn nhựa và động cơ
cuộn, ổn định sức
căng...

Hình 2.2 Hệ thống thổi - cuộn túi nylon


Hình 2.5 Sơ đồ chi tiết hoạt động của biến tần


2.5.2

Các bộ phận cơ bản của biến tần
Thông qua quá trình hoạt động của biến tần, ta có thể rút ra cấu tạo biến tần gồm mạch

chỉnh lưu, mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển (hình
vẽ)
2.5.2.1 Bộ chỉnh lưu

Hình 2.6 Bộ chỉnh lưu biến tần
Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động
cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng
toàn phần.
Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn,
trong đó dòng điện xoay chiều một pha được chuyển đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu điốt được sử dụng trong Biến tần cũng có thể cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ
điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều.
Các đi-ốt chỉ cho phép luồng điện theo một hướng, vì vậy cầu đi-ốt hướng dòng
electron của điện năng từ Dòng Xoay chiều (AC) thành Dòng Một chiều (DC).


2.5.2.2 Tuyến dẫn Một chiều

Hình 2.7 Tuyến dẫn một chiều
Tuyến dẫn Một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp Một chiều đã chỉnh lưu. Một tụ
điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình Tuyến dẫn Một chiều sẽ
làm tăng điện dung.

Bộ điện kháng dòng Xoay chiều có thể hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo vệ
mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và xung gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác bằng


bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ.
Có vài nhược điểm khi sử dụng bộ điện kháng, như chi phí tăng thêm, cần nhiều
không gian pa-nen hơn và đôi khi là giảm hiệu suất.
Trong các trường hợp hiếm gặp, bộ điện kháng dòng có thể được sử dụng ở phía đầu ra của
Biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp, nhưng điều này thường không cần thiết do
hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT.
2.5.2.5 Bộ điện kháng Một chiều

Hình 2.10 Bộ điện kháng một chiều
Bộ điện kháng Một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn Một
chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn
trước khi xảy ra hỏng hóc và ngắt bộ truyền động ra.
Bộ điện kháng Một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ
biến tần 7,5 kW trở lên. Bộ điện kháng Một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn Bộ điện kháng Xoay
chiều.
Bộ điện kháng Một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng chồng không làm hỏng
tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho
bộ chỉnh lưu.