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

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..................................................................................................... .............

60
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

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

T2


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
i
dc
Giá trị dòng điện một chiều
L
I

Vector dòng điện lƣới
i
La
,
b

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
Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)
M
đt
Mô men điện từ động cơ
M
đm
Mô men định mức
M
max
Mô men cực đại
n
p
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

L
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
u
L
Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  - 
u
Ld
Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
u
Lq
Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q
s
UVector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM
u
s
Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục

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

7
toạ độ  - 
u
s

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

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 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)……………………………………………………………….. ........ .

-

…………. ........
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
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

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 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……………………………………………………………………….. ..........


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
rad/s xuống 80 rad/s ……………………………………..…………................
105
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 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

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.

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

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

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 tiêu thực hiện bù điện áp
thông dụng với U
1
/
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 E
r
/

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
nhất định. Trên phụ tải sẽ
nhận đƣợc điện áp ra xoay
chiều u
t
. 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
Sơ đồ
chỉnh lƣu

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.
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
ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120
0
. 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
vậy thiết bị biến tần trực tiếp
tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng

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

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

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,

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
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.
f
1
,U
1
+
=

C
0

U
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.
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
 3
f1, U1
Chỉnh lƣu
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
a
 3

điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
PWM
c

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

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 U
2
. 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

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

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

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 U
1
/f
s
=hằng số (f

 3
f1, U1
Chỉnh lƣu
điều khiển
 3
f
2
, U
2

Lọc
Nghịch lƣu
điều khiển
vector

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

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 E
r

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.

υ
= 5
υ
= 5 ÷ 13
7 11 13 >17
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (

là chỉ số sóng hài)
a)
b)
Chỉnh lƣu Nghịnh lƣu
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R
h
trong mạch một chiều
ĐK
C
l