NGUYỄN THỊ ĐIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------o0o----------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LÀM
VIỆC BỐN GÓC PHẦN TƯ

2005 - 2007

NGUYỄN THỊ ĐIỆP

HÀ NỘI - 2008


LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn này được hoàn thành là nhờ có sự quan tâm, chỉ bảo tận
tình của thầy hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn, các bạn đồng nghiệp cũng
như sự động viên của gia đinh.
Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại
học Bách khoa Hà nội, những người đã truyền đạt, củng cố những tri thức
quan trọng trong suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn các thầy cô trong bộ
môn Tự động hoá đã giúp tôi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết về

chuyên ngành được học.
Đặc biệt, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hưỡng dẫn TS.
Phạm Văn Diễn, người đã hướng dẫn tôi phương pháp nghiên cứu phù hợp
để bản luận văn này được hoàn thành.

Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2008
Học viên
Nguyễn Thị Điệp


Lời Cam đoan
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này được thực hiện bởi sự nỗ
lực của bản thân dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Phạm Văn Diễn cùng
với các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn ở cuối bản luận văn.
H Ni, ngy 17 thỏng 4 nm 2008.
Hc viờn
Nguyn Th ip


Danh mục các từ viết tắt

DTC ( Direct Torque Control ) : Điều khiển trực tiếp mômen.
DSP (Digital Signal Processor ) : Bộ xử lý tín hiệu số.
FOC (Field Oriented Control ) : Điều khiển trường định hướng.
VOC (Voltage Oriented Control): Điều khiển tựa theo véctơ điện áp lưới.
VFOC (Virtual Flux Oriented Control): Điều khiển tựa theo véctơ từ thông ảo.
DPC (Direct Power Control): Điều khiển công suất trực tiếp.
VFDPC (Virtual Flux based Direct Power Control): Điều khiển công suất trực
tiếp tựa theo véctơ từ thông ảo.
KĐB : Không đồng bộ.

BĐPĐC: Bộ biến đổi phía động cơ.
BĐPL: Bộ biến đổi phía lưới.
PI ( Proportional Intergrated ): Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân.
PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. Biến tần nguồn áp............................................................................... 2
Hình 2. Mạch hãm trong hệ biến tần - động cơ KĐB, chỉnh lưu điôt ........... 2
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý biến tần làm việc bốn góc phần tư .......................... 4
Hình 1.1 Biến tần nguồn áp sử dụng hai bộ PWM ........................................ 8
Hình 1.2 Sơ đồ thay thế và giản đồ vector chỉnh lưu PWM .......................... 9
Hình 1.3 Bốn chế độ hoạt động ở các góc phần tư ......................................... 10
Hình 2.1 Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông
rotor ................................................................................................................ 17
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) .................... 18
Hình 2.3 Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen ............................................ 20
Hình 2.4 Quỹ đạo của các vector từ thông stator và vector từ thông rotor .... 22
Hình 2.5 Điều khiển mômen có trễ: M đ – mômen đặt; M – mômen điện từ
của động cơ; ΔM - ngưỡng trễ ....................................................................... 23
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen .................................. 23
Hình 2.7 Quỹ đạo vector từ thông stator và các vector điện áp chuyển mạch
thích hợp; FD - giảm từ thông; FI – tăng từ thông; TD- giảm mômen; TI –
tăng mômen .................................................................................................... 27
Hình 2.8. Sáu vector trong phương pháp DTC cải tiến ................................. 28
Hình 2.9 DTC với 12 sector ........................................................................... 30
Hình 2.10 Những thay đổi của mômen và từ thông theo quỹ đạo từ thông
trong phương pháp 12_DTC .......................................................................... 31
Hình 3.1 Mô hình BĐPL (chỉnh lưu PWM) .................................................. 35
Hình 3.2 Mô hình công tắc lật của mạch nghịch lưu/chỉnh lưu PWM .......... 35

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế một pha của chỉnh lưu PWM .................................. 36
Hình 3.4 Mô hình động cơ KĐB ảo ............................................................... 39


Hình 3.5 Đồ thị điện áp và véctơ từ thông ảo của bộ BĐPL ......................... 40
Hình 3.6 Các phương pháp điều khiển bộ PWM phía lưới ........................... 41
Hình 3.7 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ biến tần CLPWM với các
phương pháp điều khiển. ................................................................................ 31
Hình 3.8 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VOC 42
Hình 3.9 Đồ thị véctơ điện áp ........................................................................ 43
Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng điều khiển bộ BĐPL theo VOC ................... 44
Hình 3.11 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VFOC ... 45
Hình 3.12 Cấu trúc mạch vòng điều khiển bộ BĐPL theo VFOC ................. 46
Hình 3.13 Quan hệ điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của bộ BĐPL ... 47
Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc ước lượng véctơ từ thông ảo ................................. 48
Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống dùng phương pháp điều khiển DPC ............ 49
Hình 3.16 Khâu ước lượng công suất và điện áp ........................................... 51
Hình 3.17 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VF-DPC 51
Hình 3.18 Khâu ước lượng p, q theo ψ L ....................................................... 53
Hình 3.19 Phân vùng không gian trạng thái và các véctơ điện áp ................. 54
Hình 3.20 Các khâu điều chỉnh phi tuyến ...................................................... 56
Hình 4.1 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển DTC .............................................. 63
Hình 4.2 Mô hình khâu tính toán mômen, từ thông và góc quay .................. 63
Hình 4.3 Mô hình khâu trễ trạng thái của mômen và từ thông ...................... 64
Hình 4.4 Bảng chọn sector ............................................................................. 64
Hình 4.5 Bảng đóng cắt .................................................................................. 65
Hình 4.6 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển DPC .............................................. 67
Hình 4.7 Mô hình bộ điều chỉnh điện áp một chiều 67
Hình 4.8 Mô hình khâu đánh giá công suất tác dụng và phản kháng ............ 68
Hình 4.9 Mô hình khâu tính góc


γ UL

............................................................. 68


Hình 4.10 Mô hình khâu trễ trạng thái công suất tác dụng và phản kháng ... 69
Hình 4.11 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển VFDPC ....................................... 69
Hình 4.12 Mô hình khâu đánh giá công suất tác dụng và phản kháng và góc
γ ψL

................................................................................................................. 70

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng hệ thống DPC-DTC ....................................... 70
Hình 4.14 Mô hình mô phỏng hệ thống VFDPC-DTC .................................. 71

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng chọn cung cho mảnh quỹ đạo thứ “k” ................................... 27
Bảng 2.2 Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen ............ 28
Bảng 2.3. Bảng so sánh hai phương pháp DTC cơ sở (C-DTC) và DTC cải
tiến (M-DTC) ................................................................................................. 29
Bảng 2.4 Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen cho
phương pháp DTC cải tiến ............................................................................. 30
Bảng 2.5 Mô tả tác dụng của các vector điện áp trong sector 12 .................. 31
Bảng 2.6 Mô tả tác dụng của các vector điện áp trong sector 1 .................... 31
Bảng 2.7Bảng chọn cho phương pháp DTC với 12 sector ............................ 32
Bảng 3.1 Bảng đóng cắt cho phương pháp DPC ........................................... 57


MỤC LỤC

Trang
Trang 1.
Lời cam đoan.
Mục lục.
Danh mục các từ viết tắt.
Danh mục các bảng.
Danh mục các hình vẽ và đồ thị.
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA LÀM VIỆC BỐN GÓC
PHẦN TƯ.
1.1 Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay chiều
ba pha làm việc bốn góc phần tư. ............................................................. 8
1.1.1 Phân tích chế độ làm việc bốn góc phần tư......................................... 8
1.1.2 Đặc điểm của hệ thống. ....................................................................... 11
1.2 Yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay
chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư. .................................................... 12
1.2.1 Phần điều khiển chung. ....................................................................... 12
1.2.2 Trong góc phần tư I và III. .................................................................. 13
1.2.3 Trong góc phần tư II và IV.................................................................. 13


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA
ĐỘNG CƠ.
2.1 Phương pháp điều khiển véctơ. ................................................................ 16
2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen. ............................................. 19
2.2.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mômen. ........................................... 19
2.2.2 Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn. .................................. 23
2.3 Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPĐC. ............... 32
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA

LƯỚI.
3.1 Mô tả toán học bộ BĐPL. ........................................................................... 35
3.2 Giới thiệu chung về các phương pháp điều khiển bộ BĐPL. ................. 39
3.3 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp....... 42
3.3.1 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp sử
dụng đại lượng véctơ điện áp VOC. .............................................................. 42
3.3.2 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp sử
dụng đại lượng véctơ từ thông ảo VFOC. ..................................................... 45
3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất.49
3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ
điện áp DPC. .................................................................................................. 49
3.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ
từ thông ảo VFDPC. ............................................................................ 51
3.4.3 Lựa chọn bộ điều khiển công suất và bảng đóng cắt. ......................... 53
3.5 Phân tích, so sánh, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPL. ... 57
CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.
4.1 Thiết lập mô hình mô phỏng cho bộ BĐPĐC. ......................................... 62


4.1.1 Chuẩn bị mô phỏng. .......................................................................... 62
4.1.2 Mô hình mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab. ........................ 63
4.2 Thiết lập mô hình mô phỏng cho bộ BĐPL. ............................................. 65
4.2.1 Chuẩn bị mô phỏng. .......................................................................... 65
4.2.2 Mô hình mô phỏng phương pháp DPC trên Matlab. ......................... 67
4.2.2 Mô hình mô phỏng phương pháp VFDPC trên Matlab..................... 69
4.3 Mô hình mô phỏng hệ biến tần làm việc 4 góc phần tư . ......................... 70
4.3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống DPC-DTC. ......................................... 70
4.3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống VFDPC-DTC. ..................................... 71
4.4 Phân tích, nhận xét và so sánh các kết quả mô phỏng. ........................... 71
4.4.1 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, ở chế độ định mức. ..................... 72

4.4.2 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, ở chế độ giảm tốc độ. ................. 73
4.4.3 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, khi đảo chiều quay với các tốc
độ khác nhau. .............................................................................................. 75
4.4.4 Động cơ làm việc với tải có tính chất phản kháng khi đảo chiều
quay............................................................................................................. 80
KẾT LUẬN. ....................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO


1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề năng lượng, môi trường và vốn đầu tư
đã làm chậm trễ việc xây dựng các nhà máy điện và các đường dây truyền tải
mới. Trong khi đó nhu cầu về điện tiếp tục tăng cao ở nhiều nước nhất là các
nước đang phát triển như Việt Nam. Vấn đề này làm thúc đẩy mối quan tâm
đến việc vận hành linh hoạt và tận dụng tốt nhất các hệ thống điện có sẵn và
tận dụng các nguồn năng lượng bị tiêu tán trong các quá trình hãm. Ví dụ như
trong các hệ thống truyền tải điện năng, hệ thống điều khiển thiết bị phát điện
chạy sức gió, các thang máy cao tốc, máy nâng hạ, máy cán thép …
Luận văn này, tiếp cận một phương pháp tiết kiệm năng lượng bằng cách
tận dụng các nguồn năng lượng bị tiêu tán trong các quá trình hãm phát trả
năng lượng về lưới.
Trong thực tế sản xuất động cơ không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất
rộng rãi. Ưu điểm nổi bật của động cơ này là cấu tạo đơn giản (đặc biệt là
động cơ rôto lồng sóc), giá thành hạ, vận hành tin cậy và chắc chắn. Hiện nay
có một số phương pháp điều chỉnh tốc độ KĐB như:
- Phương pháp điều chỉnh điện áp stato.
- Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào rôto.

- Phương pháp điều chỉnh công suất trượt.
- Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp.
Trong đó, phương pháp điều khiển tần số nguồn cung cấp cho KĐB là
phương pháp tốt nhất. Với sự phát triển của công nghiệp điện tử công suất,
giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng
cao, nên hệ truyền động điều khiển tần số được sử dụng rộng rãi nhất hiện

Mở đầu


2

nay. Tuy nhiên, các bộ biến tần phổ biến còn một số vấn đề tồn tại, đặc biệt là
ở chế độ hãm:
Như đã biết, khi làm việc ở chế độ động cơ (Hình 1) năng lượng điện từ
lưới sẽ qua các khâu chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu để cấp cho động cơ.
Chỉnh lưu

Lọc

Nghịch lưu

D1

D3

D5

D2


D4

D6

ÐC KÐB

S1

S3

S5

S2

S4

S6

u dk

Hình 1. Biến tần nguồn áp

Còn trong chế độ hãm động cơ hoạt động như một máy phát điện song
song với lưới và vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để tạo ra từ trường quay,
động năng của các phần chuyển động được biến thành điện năng trả về mạch
một chiều.

~

NL


Id

CL

+

+
C
-

U dc

-

KĐB

Rh
Th

Hình 2. Mạch hãm trong hệ biến tần - động cơ KĐB, chỉnh lưu điôt

Mở đầu


3

Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn luôn giữ dấu
không đổi, khi dòng I d cũng không đổi dấu. Do vậy không thể thực hiện trao
đổi năng lượng từ tải về lưới. Trong trường hợp này chủ yếu là dùng hãm dập

động năng bằng điện trở hãm mạch một chiều (Hình 2).
Khi động năng động cơ KĐB cần giải thoát chuyển về mạch một chiều
qua cầu điôt ngược làm cho điện áp trên tụ C là U dc dâng cao. Dùng tranzito
T h và điện trở R h đóng ngắt theo tần số nhất định sẽ biến động năng dư thừa
thành nhiệt năng đốt nóng điện trở.
Trong quá trình hãm, nếu không tiêu tán kịp thời năng lượng này có thể
gây quá áp trong mạch một chiều có thể gây phá huỷ các tụ điện một chiều.
Đặc biệt với các hệ truyền động có yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc
thường xuyên thì khả năng hãm là cần thiết, ví dụ như thang máy, các máy
điện công suất lớn, máy bơm ly tâm… Thông thường, khi năng lượng hãm
lớn hơn hoặc bằng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ thống thì cần
phải tính đến việc bổ xung các mạch hãm cho hệ thống.
Giải pháp sử dụng điện trở hãm đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện
nay vì tính đơn giản, chi phí thấp. Tuy nhiên nó lại tiêu phí năng lượng dưới
dạng nhiệt, không gian lắp đặt lớn làm tăng kích thước của biến tần và phải
thiết kế thêm các bộ làm mát …
Xét sơ đồ hình 2 ta thấy:
- Ở phần chỉnh lưu (CL) điện áp ra luôn có cực tính không đổi.
- Năng lượng luôn được truyền từ lưới điện xoay chiều ba pha ra bộ
nghịch lưu PWM (NL) để tới động cơ.
- Nếu thực hiện hãm tái sinh (phát trả năng lượng về lưới) thì bộ chỉnh
lưu sẽ không cho phép năng lượng được trả về lưới do các điôt đều bị
phân cực ngược bởi điện áp trên tụ C.

Mở đầu


4

Do vậy để thực hiện được chế độ hãm tái sinh trong biến tần nguồn áp

thì bộ chỉnh lưu (CL) phải làm việc ở chế độ nghịch lưu.
Giải pháp hiệu quả nhất là phát trả năng lượng về lưới thông qua một bộ
biến đổi phía lưới (BĐPL) thay cho cầu chỉnh lưu điôt truyền thống. Bộ chỉnh
lưu điôt trong các biến tần thông thường được thay thế bằng bộ chỉnh lưu
PWM (CL PWM).

PWM

PWM
+

+
C

-

-

KĐB

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý biến tần làm việc bốn góc phần tư

 Các yêu cầu đặt ra khi phát trả năng lượng về lưới:
Điện năng phát trả về lưới thông qua bộ biến đổi phía lưới phải tuân theo
các yêu cầu sau:
- Bộ biến đổi phải tự động đồng bộ với lưới điện khi động cơ chuyển
sang chế độ hãm để phát trả năng lượng về lưới.
- Bộ biến đổi phía lưới phải tạo ra điện áp có dạng sin để cho sóng hài cơ
bản của nó có biên độ và góc pha tương tự như nguồn điện áp cung
cấp.

- Các sóng hài bậc cao càng giảm thiểu càng tốt làm sao để đảm bảo đáp
ứng các tiêu chuẩn về giới hạn độ méo cho phép của dòng và áp.
- Đảm bảo hiêu suất làm việc cao cho hệ thống. Nghĩa là điều khiển bộ
biến đổi phía lưới hoạt động với hệ số cosφ → 1.

Mở đầu


5

 Bản luận văn này giải quyết các vấn đề sau:
Như đã phân tích ở trên, hệ biến tần làm việc bốn góc phần tư đã ra đời
và không chỉ ứng dụng trong các hệ truyền động điện mà còn trong các hệ
thống phát và truyền tải điện năng. Hiện nay, các nghiên cứu về hệ biến tần
làm việc ở bốn góc phần tư đã được nghiên cứu một cách bài bản và đã trở
thành sản phẩm hàng hoá.
Các phân tích lý thuyết về điều khiển bộ biến đổi phía lưới dựa trên cơ
sở vector từ thông ảo và vector điện áp lưới đã được phân tích ở nhiều tài liệu
khác nhau. Tuy vậy, để so sánh, kiểm chứng và hiểu rõ hơn những lý thuyết
trên trong khuôn khổ bản luận văn này tác giả đi phân tích, tổng hợp các lý
thuyết trên và xây dựng mô hình mô phỏng. Và đưa ra một lời kiến nghị với
ứng dụng của loại biến tần làm việc 4 góc phần tư này.
Để làm được điều đó, bản luận văn được chia thành 4 chương với nội
dung như sau:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư
Nội dung của chương này bao gồm phân tích chế độ làm việc 4 góc phần
tư và đặc điểm của hệ thống. Đưa ra các yêu cầu cho hệ thống làm việc 4 góc
phần tư.
Chương 2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Nội dung của chương trình bày hai phương pháp điều khiển bộ BĐPĐC
là phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rôto (FOC) và phương pháp điều
khiển trực tiếp mômen (DTC). Tập trung phân tích nguyên lý điều khiển trực
tiếp mômen, ước lượng từ thông stato và mômen sử dụng các đại lượng khác
nhau. Phân tích các phương pháp phân vùng véc tơ và bảng đóng cắt.
Mở đầu


6

Chương 3. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới
Phần đầu là mô tả toán học bộ BĐPL, thiết lập các phương trình mô tả
bộ BĐPL trên các hệ toạ độ khác nhau, dùng để tính toán mô phỏng cho phần
sau.
Giới thiệu các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới: điều khiển
định hướng theo véctơ điện áp và điều khiển trực tiếp công suất. Mỗi phương
pháp được giới thiệu chi tiết nguyên lý điều khiển, các phép ước lượng véc tơ
điện áp đầu vào, véc tơ từ thông ảo và ước lượng công suất. Lựa chọn bộ điều
khiển công suất và bảng đóng cắt.
Phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới được lựa chọn là
phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ điện áp
(DPC) và sử dụng đại lượng véctơ từ thông ảo (VFDPC). Phân tích ưu nhược
điểm của hai phương pháp này một cách cụ thể làm tiền đề để chứng minh các
nhận định trên bằng kết quả mô phỏng cho các chế độ làm việc khác nhau của
biến tần.
Chương 4. Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển
Nội dung chương này, lựa chọn, tính toán các thông số và thiết lập mô
hình mô phỏng bộ BĐPĐC theo phương pháp DTC.
Lựa chọn, tính toán các thông số và thiết lập mô hình mô phỏng bộ
BĐPL theo phương pháp DPC và VFDPC.

Ghép mô hình phương pháp điều khiển bộ BĐPĐC (DTC) với mô hình
phương pháp điều khiển bộ BĐPL (DPC và VFDPC) thành hai mô hình hệ
thống điều khiển biến tần làm việc 4 góc phần tư: hệ DPC-DTC và hệ
VFDPC-DTC. Sau đó mô phỏng hai hệ thống trên ở các chế độ làm việc khác
nhau. Cuối cùng là đánh giá, kết luận về hệ thống.

Mở đầu


7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA LÀM
VIỆC BỐN GÓC PHẦN TƯ

Nội dung:
1.1 Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha làm việc bốn góc phần tư.
1.1.1 Phân tích chế độ làm việc bốn góc phần tư.
1.1.2 Đặc điểm của hệ thống.
1.2 Yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay
chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư.
1.2.1 Phần điều khiển chung.
1.2.2 Trong góc phần tư I và III.
1.2.3 Trong góc phần tư II và IV.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư



8

1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH XOAY CHIỀU BA
PHA LÀM VIỆC BỐN GÓC PHẦN TƯ.
Để làm việc được ở 4 góc phần tư, hệ thống cần sử dụng một bộ biến đổi
PWM phía lưới điện (BĐPL) (Hình 1.1). Mạch công suất của bộ BĐPL thường
sử dụng các modul IGBT tương tự như đối với bộ biến đổi phía động cơ. Do
dòng điện của bộ BĐPL có chứa các sóng hài bậc cao nên cần có thêm cuộn cảm
lọc đường dây dùng để chặn, ngoài ra hiệu điện áp sai lệch giữa nguồn lưới và
BĐPL cũng sẽ rơi trên cuộn cảm này.
Bộ biến đổi phía lưới
(CL PWM)

Bộ biến đổi phía động cơ
(NL PWM)

Lưới
a
b

C
c

U dc

ĐKB

Hình 1.1 Biến tần nguồn áp sử dụng hai bộ PWM

1.1.1 Phân tích chế độ làm việc 4 góc phần tư.

Để đảm bảo công suất trao đổi theo hai chiều giữa lưới và tải dòng điện
chỉnh lưu I d phải được đổi dấu. Quy ước I d có dấu dương khi nó có chiều hướng
về tải và dấu âm khi có chiều hướng về lưới. Vì dấu điện áp một chiều là cố định

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


9

nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải P d = U dc I d > 0 và từ tải về
lưới P d = U dc I d < 0.

Để thực hiện được nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:
- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.
- Giá trị điện áp một chiều U dc được điều chỉnh không đổi và phải lớn hơn
giá trị điện áp chỉnh lưu tự nhiên từ lưới.
Để giải thích nguyên lý làm việc trên ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha
(Hình 1.2).
L

R
ϕ

IL

UL ~

UL


ε

Us

~ Us

ILR

IL
a)

jωLI L

b)

ILR
IL
ε>0
Us
c)

jωLI L

UL
jωLI L

ILR

Us


ε<0

IL
d)

UL

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế và giản đồ vector chỉnh lưu PWM

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


10

Trên hình 1.2a là sơ đồ thay thế một pha của chỉnh lưu PWM . Hình 1.2b là
giản đồ vector tổng quát của các đại lượng trên sơ đồ thay thế. Hình 1.2c là khi
điều chỉnh vector I L trùng với vector U L ta có cosφ = 1 và P d > 0 (ứng với chế
độ động cơ). Hình 1.2d là khi điều chỉnh vector I L ngược với vector U L ta có
cosφ = 1 và P d < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh).
Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng sin người ta dùng phương pháp
biến điệu vector không gian như theo nghịch lưu PWM.
Hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển động cơ thông thường trong các góc
phần tư số I và III, còn trong các góc phần tư II và IV hệ thống phải có khả năng
phát trả năng lượng về lưới. Điều quan trọng là ta cần điều khiển được hoàn toàn
dòng điện phía lưới để có thể đảm bảo chất lượng điện năng và kiểm soát để hệ
số công suất phía lưới xấp xỉ bằng 1. Hệ thống phải đảm bảo để dòng điện phía
lưới và phía động cơ đều có dạng hình sin trong cả bốn chế độ hoạt động.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


11

n
Bộ PWM
PL ở chế
độ NL
Bộ PWM
PĐC ở
chế độ
CL

−M

Máy điện
làm việc
ở chế độ
máy phát

+n
Góc II
Góc III

Bộ PWM
PL ở chế
độ CL
Bộ PWM
PĐC ở

chế độ
NL

−M

Máy điện
làm việc
ở chế độ
động cơ

Máy điện
làm việc
ở chế độ
động cơ

+M

Bộ PWM
PL ở chế
độ CL

+n

Bộ PWM
PĐC ở
chế độ
NL

Góc I
Góc IV


Máy điện
làm việc
ở chế độ
máy phát

−n

M
+M

Bộ PWM
PL ở chế
độ NL

−n

Bộ PWM
PĐC ở
chế độ
CL

Hình 1.3 Bốn chế độ hoạt động ở các góc phần tư

1.1.2 Đặc điểm của hệ thống.
• Đặc tính động học tốt hơn.
Khả năng làm việc ở bốn góc phần tư cho phép hệ thống có đặc tính động
học tốt hơn so với các hệ thống cũ trước đây. Khả năng phát trả năng lượng hãm
tái sinh về lưới cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc độ nhanh
hơn so với hệ thống cũ, cho phép tốc độ thay đổi và gia tốc lớn hơn.

• Khả năng điều chỉnh điện áp một chiều tốt hơn.
Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn
hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho
động cơ. Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng
Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


12

mômen đủ nhanh. Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định
mức lớn nhất có thể.
Bằng việc điều khiển BĐPL ta có thể điều khiển được điện áp của mạch
một chiều đáp ứng yêu cầu trên. Lúc này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như
một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều. Khả năng này khiến
hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như trường hợp sụt giảm điện
áp lưới.
Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của
các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ
thống cũ.
• Khả năng điều chỉnh hệ số công suất.
Bộ PWM phía lưới cho phép ta điều chỉnh được hệ số cosφ. Như vậy nó có
thể hoạt động như một bộ bù công suất phản kháng.
Thông thường, người ta mong muốn đạt được hệ số cosφ → 1, trong các hệ
thống cũ người ta cũng có thể đạt được hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có
nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn
hơn so với hệ thống dùng 2 bộ biến đổi PWM.
• Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phía lưới.
Không thể có bộ nghịch lưu nào cung cấp dòng điện hoàn toàn hình sin, vì
vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định. Dòng diện lưới sẽ chỉ gần

giống hình sin và chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số
chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điôt còn tạo ra các sóng hài lẻ
Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


13

bậc thấp. Các sóng hài lẻ bậc thấp gây ra hiện tượng như làm phát nóng các biến
áp, gây lỗi cho động cơ, làm hỏng tụ điện …
Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao
hơn. Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng
hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.

1.2. YÊU CẦU ĐẶT RA CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH XOAY
CHIỀU BA PHA LÀM VIỆC 4 GÓC PHẦN TƯ
1.2.1 Phần điều khiển chung.
- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều, hệ thống điều khiển máy
điện làm việc trong cả 4 góc phần tư.
- Đảm bảo chuyển chế độ điều khiển phù hợp trong các trường hợp: dừng
động cơ, giảm tốc độ động cơ…
- Phát hiện và kiểm soát khi xảy ra các trường hợp phát sinh lỗi: mất nguồn
lưới, chập pha, ngắn mạch phía lưới, sụt nguồn lưới …
- Kiểm soát và có chiến lược điều chỉnh được dòng năng lượng truyền tải
một cách tối ưu từ lưới điện sang mạch một chiều và ngược lại, từ mạch
một chiều sang động cơ và ngược lại.
1.2.2 Trong góc phần tư I và III.
- Điều khiển máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
- Điều khiển bộ PWM phía động cơ ở chế độ nghịch lưu cung cấp nguồn
xoay chiều ba pha cho động cơ.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


14

- Có khả năng điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ giảm từ thông để đạt
tốc độ lớn hơn tốc độ định mức của động cơ.
- Có khả năng ước lượng các đại lượng tốc độ của động cơ, góc quay của
động cơ mà không cần cảm biến đo.
- Có khả năng hạn chế đập mạch mômen sinh ra của động cơ.
1.2.3 Trong góc phần tư II và IV.
- Điều khiển máy điện ở chế độ máy phát.
- Điều khiển bộ biến đổi phía lưới ở chế độ nghịch lưu phát trả năng lượng
về lưới theo, đảm bảo chế độ hãm tái sinh có chất lượng động tốt.
- Dòng điện phía lưới phải càng gần với dạng sin càng tốt, giảm thiểu dao
động của dòng điện lưới.

- Khả năng điều chỉnh được hệ số cosφ →1.
- Tổn thất do các sóng hài bậc cao đối với dòng điện phía lưới phải thấp.
- Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp của phần điện áp một chiều tốt.
- Giảm thiểu kích thước của tụ điện (hoặc cuộn cảm) dùng để tạo dòng liên
tục.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư


15


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI
PHÍA ĐỘNG CƠ
Nội dung:
2.1 Phương pháp điều khiển vector.
2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen.
2.2.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mômen.
2.2.2 Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn.
1. Sơ đồ nguyên lý.
2. Ước lượng từ thông stator và mômen.
3. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt.
2.3 Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPĐC.

Chương 3. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ.