dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

ĐỒ ÁN: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG BIẾN TẦN ABB ACS 150

MỤC LỤCTrang

LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................4LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................5Nhận xét của giáo viên hướng dẫn.........................................................................................6Nhận xét của giáo viên phản biện...........................................................................................7CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN..............................................................................8

I. Giới thiệu lịch sử biến tần...............................................................................................81. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.....................................................82. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp...........................................................83. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp........................................................8

3.1. Luận chứng kinh tế...............................................................................................93.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt.............................9

4. Phân loại biến tần........................................................................................................95. Vai trò biến tần đa bậc.............................................................................................10

II. Biến tần trực tiếp..........................................................................................................101. Giới thiệu..................................................................................................................102 Phân loại biến tần.......................................................................................................11

2.1.Biến tần trực tiếp một pha...................................................................................112.2. Biến tần trực tiếp ba pha.....................................................................................132.3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO)..............................................152.4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)...............................................162.5. Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)...................................................18

III. Bộ nghịch lưu.............................................................................................................191.Giới thiệu chung........................................................................................................192. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha.......................................................................20

2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu..........................................................202.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI).........................................26

3. Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters)...........313.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin............................................................323.2. Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave Operation…)..............................................................................................................333.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.............................343.4..Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based Modulating Techniques)............................................................................................35

5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha........................................395.1 Các bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI: Current Source Inverters)........................415.2. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng................................................................................................................42

IV. Biến tần đa bậc...........................................................................................................451.Giới thiệu về biến tần đa bậc.....................................................................................45

1.1 .Khái niệm...........................................................................................................451.2. Neutural point clamped inverter NPC................................................................47

2. Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc).....................................................482.1 Cascade Multilevel Inverter.................................................................................482.2. Capacitor Clamped Multilevel Inverter..............................................................502.3. Cấu trúc phối hợp...............................................................................................51

3. So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc....................................................................513.1 Phương pháp Sin PWM (Ứng dụng ở tần số khá cao f < 9500Hz)....................523.2. Switching frequency optimal PWM method( SFO PWM)................................53

LỚP ĐHĐT1B GVHD: ThS. TRẦN VĂN TRINH Trang 1


3.3. Phương pháp vector không gian.........................................................................543.4 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc...........................................................543.5. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc..................................................59

V. Ứng dụng biến tần đa bậc............................................................................................601. Giới thiệu..................................................................................................................602. Đặc tính cơ của các động cơ điện.............................................................................60

2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song).........................................602.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp............................................................622.3. Động cơ điện ba pha xoay chiều không đồng bộ (KĐB)...................................62

3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha KĐB sử dụng biến tần.............643. 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto..................643.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato......................653.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều...................663.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ............................66

VI. Giới thiệu biến tần ACS 150......................................................................................661. Nguồn cung cấp........................................................................................................662.Cấu trúc tổng quan của biến tần ABB.......................................................................663.Chi tiết về sơ đồ kết nối in/ out của biến tần ABB ACS 150....................................674.Cách kết nối nên tránh ở ngõ ra của biến tần.............................................................685.Sơ đồ kết nối IN/OUT...............................................................................................696.Chức năng từng phím trên mặt máy..........................................................................697 .MENU chính.............................................................................................................708.Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “.............719. Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ LONG PARAMETER MODE “ :............7210.Một số sơ đồ kết nối dây IN/ OUT ABB khuyên dùng (macro).............................72

10.1. ABB Standard macro........................................................................................7210.2. 3 wire macro.....................................................................................................7310.3.Alternate Macro.................................................................................................7310.4. Motor potentiometer macro..............................................................................74

11. Tín hiệu điều khiển kết nối từ bên ngoài................................................................7412. Điều khiển...............................................................................................................75

12.1 . Điều khiển bằng tay với sự hổ trợ màn hình và bàn phím...............................7512.2. Điều khiển bằng các thiết bị ngoại vi bên ngoài: ( WIN CC + PLC + MODUL EM 235 )....................................................................................................................75

VII. EM235.......................................................................................................................76VIII. PLC..........................................................................................................................77

1. Giới thiệu PLC S7-200.............................................................................................772. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC......................................................................................783. Ứng dụng xuất sung tốc độ cao................................................................................78

3.1. Điều rộng xung 50% (PTO)...............................................................................783.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM).......................................................................79

4. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC)..................................................79IX. WINCC.......................................................................................................................82

1. Giới thiệu WinCC (Windows Control Center).........................................................822. Khởi động WinCC....................................................................................................823. Tạo một Project mới.................................................................................................824. Cài đặt Driver kết nối PLC.......................................................................................835. Tạo các biến..............................................................................................................83

5.1 Biến nội................................................................................................................835.2. Biến ngoại: Sử dụng PC Access.........................................................................84

6. Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng.............................................................87



7. Cài đặt thông số cho winCC Runtime......................................................................87CHƯƠNG 2 THỰC HIỆN ĐỒ ÁN......................................................................................89

I. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển motor.........................................................89II. Điều khiển bằng tay.....................................................................................................89III. Điều khiển bằng WIN CC + PLC _ MODUL E235...................................................90

1.Cài đặt thông số.........................................................................................................902. Chương trinh điều khiển PLC + WICC...................................................................90

2.1 Chương trình PLC...............................................................................................902.2 Tạo Item trong PC Access...................................................................................952.3.Giao diện WINCC:..............................................................................................96

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN.............................................................................97TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................98



LỜI MỞ ĐẦUVới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã

được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển được áp dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp không thể thiếu các dây chuyền tự động hóa để vận hành các hệ thống phức tạp trong nhà máy. Chính vì vậy để hiểu rõ hơn về các dây chuyền tự động đó thì trong đồ án hai này chúng tôi tìm hiểu một ứng dụng của ngành điện tử đặt biệt là lĩnh vực tự động hóa nhằm mục đích mô phỏng các hệ thống đó dưới những linh kiện mà mình đã được học. Cụ thể là trong đồ án này chúng tôi sẽ khảo sát và điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần ACS150 kết hợp với PLC- S7200 và khối mở rộng EM 235.

Đề tài “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Dùng Biến Tần ACS 150” có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp của hệ thống. Do tài liệu tham khảo còn hạn chế, trình độ của chúng tôi có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên.



LỜI CẢM ƠNĐể hoàn thành đề tài này chúng em đã được sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng

dẫn và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp. Nhân đây chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy Trần Văn Trinh đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong đồ án này, cùng các thầy cô trong khoa và các bạn.Chúng em cũng xin cảm ơn nhà trường và gia đình đã tạo mọi điều kiện cho em có thể hoàn thành đề tài này.

Sinh viên Nguyễn Hữu Dũng

Đặng Minh HữuLê Anh Trường

Nguyễn Trí NhânTrương Quang Tường



Nhận xét của giáo viên hướng dẫn.......................................................................................................................................

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



Nhận xét của giáo viên phản biện.......................................................................................................................................

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



CHƯƠNG 1LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

I. Giới thiệu lịch sử biến tần1. Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.

Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tử công nghiệp. Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử. Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số. Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất.

Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của các linh kiện.

Linh kiện Năm xuấthiện

Điện áp định mức

Dòng điện định mức

Tần số định mức

Công suất định mức

Điện áp rơi thuận

Tiristo(SCR) 1957 6 kV 3,5kA 500Hz 100MW 1.5±2.5V

Triac 1958 1kV 100A 500 Hz 100kW 1.5±2V

GTO 1962 4,5 kV 3kA 2 KHz 10MW 3±4V

BJT 1960 1,2 kV 800A 10 Hz 1MW 1.5±3V

MOSFET 1976 500V 50A 1 MHz 100KW 3±4V

IGBT 1983 1,2kV 400A 20 KHz 100KW 3±4V

SIT 1976 1,2kV 300A 100KHz 10KW 2±4V

MCT 1988 3kV 3kA 20±100KHz 10MW 1±2V

2. Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệpNăm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiện trên

thị trường.3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện.



Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.

3.1. Luận chứng kinh tế Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment. Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,

trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.

Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.

3.2. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van. Giảm tiếng ồn công nghiệp. Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần

số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức 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- 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.

4. Phân loại biến tần.Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức chuyển đổi

tần số là: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp o Nghịch lưu đơn bậc



o Nghịch lưu đa bậc Trong đồ án này chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai loại biến tần này, trong phần biến tần

đa bậc chúng ta sẽ đi sâu vào phương pháp vector không gian.

Hình 1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian.5. Vai trò biến tần đa bậc.

Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:

Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin. Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao. Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao. Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)… Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậc nhằm

phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Ưu điểm của biến tần đa bậc là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần sin hơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao. Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng chỉ gần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc có tổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp. Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa bậc còn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao, công suất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so với biến tần đơn bậc. Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một giải pháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những đòi hỏi đặt ra.II. Biến tần trực tiếp

1. Giới thiệuBộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển đổi

công suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổi công suất khác. Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong thời gian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và công suất còn thấp. Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn off thyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi công suất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công suất cao. Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi SCR được sản xuất. Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương tự sang điều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980. Các tính toán điều khiển cho tất cả biến tần trực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi. Biến tần trực tiếp AC/AC dùng để biến đổi một nguồn công suất AC sang một nguồn AC khác. Các cách thường dùng hay các dạng như sau:



1. Biến đổi điện áp một pha AC/AC 2. Biến đổi điện áp ba pha AC/AC 3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO) 4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO) 5. Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO) 6. Biến tần đường bao ( Matrix). Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơn sang tần

số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ.2 Phân loại biến tần

2.1.Biến tần trực tiếp một pha Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P và nhóm

âm kí hiệu là N. Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-AC với pha điều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịch giữa nguồn AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng. Cặp SCR có thể được thay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự bố trí như hình 1.c gồm hai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âm làm đơn giản mạch qua cửa cần cho sự cách ly. Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốt làm giảm bớt tổn thất nhưng lại tăng thêm sự hao phí vì nhiệt. Một sự kết hợp giữa SCR và Điốt như hình 1.e, cung cấp điện áp điều khiển ngõ ra không đối xứng một chiều với phương thức tự kiểm soát nhưng có cấu thành DC vào và hơn nữa, không thực tế để loại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên của tải.

Hình 1. Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR.Hình b) Sử dụng Triac. Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt. Hình d)Một SCR kết hợp với 4 Điốt. Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.

Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR. Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thì điện áp

tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa.



Hình 2. Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở

Hình 3. Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L



Hình 4. Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.Hình a. Thời gian đóng cắt của linh kiện.Hình b. Biểu đồ hệ số công suất

Điện áp ngõ ra có công thức:

Điện áp tức thời.

Hệ số công suất (Power factor)

2.2. Biến tần trực tiếp ba pha.

Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây



Hình 5. Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau rất

đơn giản. Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b thì chịu dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thì không cao, góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải R. Trong hình c và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển. Cả hai mô hình trong mỗi pha có hai SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dòng giữa tải và nguồn. Trong hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đây dòng có thể chuyển đổi giữa hai



dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn đều có một xung kích khác nhau. Sóng điện áp và dòng gần giống như là của hình b. Hình f thì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và mỗi SCR dẫn trong 120 độ. Mô hình f thì ít được sử dụng nhưng nó có dòng lớn và như trong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thể thay thế sáu SCR bằng ba SCR và ba điốt. Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tam giác, hạn chế lớn nhất của hai mô hình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc hai bỡi tính không đối xứng.

2.3. Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO). Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luận nhiều.

Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèm theo nhưng đặc tính của nó. Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạng sóng điện áp, từ sự gián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần số cao và được phát minh từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trong các bộ chỉnh lưu ở Đức năm 1930 với nguồn 1 pha tần số 16. 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải từ nguồn ba pha tần số 50 Hz. Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratrons cung cấp 400 Hp tải đã hoạt động trong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ. Tuy nhiên, thực tế và sử dụng có ích là hai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khi SCR ra đời năm 1960. Dưới đây là mô hình sử dụng SCR:

Hình 6 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/ACa)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha

b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng vi mạch

điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện cho nguồn công suất có tốc độ chậm. Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF) được sử dụng trong các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong các hệ thống cán thép và hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền sản xuất da dày…

Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những đặc tính của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR và được thay thế dần. Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắt không đáp ứng, tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp. Hạn chế chính của biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biến đổi ngõ vào trên ngõ ra có điện áp thấp.



Hình 7: Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần số 50- 16.2/3 Hz.

Hình 8: Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10 Hz với tải trở. Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng công suất biến đổi.

Tuy ít khi được sử dụng, nhưng biến tần trực tiếp dạng SISO thì có ích để giải thích cho những nguyên lí phức tạp hơn.

2.4. Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)



Hình 9: Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải

Hình 10: Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoànTrong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng

cung cấp một pha tải. Nguyên lí điều khiển giống như điều khiển một pha. Hình 10 cho thấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòng điện liên tục. Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và hai bộ chuyển đổi để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển. Dạng sóng cơ bản sinh ra ở hai bộ chuyển



đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộ biến đổi và điện áp sinh ra bỡi độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) là dòng liên tục.

2.5. Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter) Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên là biến tần

đường bao. Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàn toàn như các điốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kì làm việc. Ta nhận thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn các đơn giản hơn bộ biến tần điều khiển pha như trình bày các phần trên. Tuy nhiên nó cũng có một vài hạn chế, vì sóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiện điều hòa bậc cao. Tỷ số tần số ra trên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý mà phải là số nguyên. Một tải có hệ số công suất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từng khoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch lưu với hế cố công suất tải bằng 1 hay gần bằng 1. Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa chu kì với các điện áp pha khác nhau có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên để có tỷ số tần số 3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn.

Hình 11: Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.



III. Bộ nghịch lưu1.Giới thiệu chung

Mục đích chính của các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh là cung cấp 1 dạng sóng ngõ ra xoay chiều từ 1 nguồn cung cấp một chiều. Các dạng sóng ngõ ra này được yêu cầu trong các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ các bộ cung cấp nguồn liên tục. Với các ngõ ra là sóng sin xoay chiều thì biên độ, tần số và góc pha nên được điều khiển. Tùy vào loại dạng sóng ngõ ra xoay chiều, các phương pháp này có thể được xem như là các bộ nghịch lưu nguồn áp(VSIs: Voltage Source Inverters) nếu như ngõ ra xoay chiều được điều khiển một cách độc lập là dạng sóng điện áp.Các cấu trúc này hầu hết được sử dụng rộng rãi vì chúng hoạt động như các nguồn áp và điều này được yêu cầu trong nhiều ứng dụng trong công ngiệp trong đó, các động cơ có thể điều chỉnh được tốc độ (ASD) là ứng dụng phổ biến nhất của các bộ nghịch lưu, xem hình 3.1.

Hình 3.1 Mô hình điều khiển tốc độTương tự, các phương pháp này được gọi là các bộ nghịch nguồn dòng (CSIs: Current

Source Inverters) với ngõ ra xoay chiều có thể điều khiển được là dạng sóng dòng điện. Các cấu trúc này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp có điện áp trung bình, và các dạng sóng điện áp đòi hỏi có chất lượng cao.

Các bộ chuyển đổi nguồn tĩnh, đặc biệt là các bộ nghịch lưu được tạo thành từ các bộ chuyển mạch công suất và vì vậy, các dạng sóng ngõ ra xoay chiều được tạo thành từ các giá trị rời rạc. Mặc dù dạng sóng này không thật sự là sóng sin như mong đợi, nhưng thành phần cơ bản của nó vẫn hoạt động tốt. Hoạt động này nên được đảm bảo bằng một kỹ thuật điều chế mà điều khiển về thời gian và trình tự được sử dụng để đóng ngắt các khóa nguồn On và Off. Các kỹ thuật điều chế được sử dụng nhiều nhất là kỹ thuật sóng mang cơ bản (SPWM), kỹ thuật vector không gian (SV: Space Vector), và kỹ thuật hạn chế hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimlination).

Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) tạo ra một dạng sóng điện áp ra xoay chiều gồm các giá trị rời rạc (dv/dt cao), do đó, tải nên có thành phần cảm kháng tại các tần số hài để tạo ra một dạng sóng dòng điện mịn. Tải dung kháng trong các bộ nghịch lưu nguồn áp sẽ tạo ra các đỉnh nhọn của dòng lớn (current spikes). Trong trường hợp này, ta nên sử dụng một bộ lọc cảm kháng giữa phần xoay chiều của VSI và tải. Mặt khác, bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI) tạo ra dạng sóng dòng điện ngõ ra gồm các giá trị rời rạc (di/dt lớn). Do đó, tải nên chứa thành phần dung kháng tại các tần số hài để tạo ra một dạng sóng điện áp mịn. Tải cảm trong CSIs sẽ sinh ra các đỉnh nhọn của áp lớn. Trong trường hợp này, ta nên dùng một bộ lọc dung kháng giữa phần xoay chiều của CSI và tải.



Dạng sóng điện áp 3 bậc thường không được dùng trong các động cơ có thể điều khiển được tốc độ với mức điện áp trung bình vì thành phần dv/dt lớn sẽ thêm vào các cực của động cơ. Các sự lựa chọn để cải thiện các dạng sóng ngõ ra xoay chiều trong VSIs là các phương pháp đa bậc (multilevel và multicell). Nguyên tắc cơ bản là tạo ra dạng sóng ngõ ra theo yêu cầu từ các mức điện áp khác nhau, và nó tạo ra các dạng sóng điện áp trung bình với thành phần dv/dt được giảm thiểu. Các phương pháp này được phát triển mạnh trong ASDs, và chúng cũng thích hợp với bộ lọc tích cực (active filter) và các bộ bù điện áp. Các kỹ thuật điều chế chuyên dụng được phát triển để đóng ngắt số lượng lớn hơn các van công suất. Trong số các phương pháp điều chế đó, SPWM và SV cơ bản được ứng dụng rất rộng rãi.

Trong nhiều ứng dụng, có yêu cầu đưa năng lượng từ phần xoay chiều của bộ nghịch lưu và gửi ngược về phần một chiều. Với trường hợp này, mỗi khi ASD cần dừng lại hoặc giảm tốc độ, hướng của dòng liên kết một chiều (dc link current) bị đảo ngược vì thực tế điện áp liên kết một chiều là cố định. Nếu một tụ điện được dùng để duy trì điện áp liên kết một chiều (như trong ASD chuẩn) thì năng lượng sẽ bị tiêu tán hoặc được hồi về hệ thống phân phối, mặt khác, điện áp liên kết một chiều sẽ tăng lên từ từ. Cách đầu tiên là yêu cầu tụ điện liên kết một chiều được nối song song với một điện trở, và nó phải được đóng ngăt một cách thích hợp chỉ khi năng lượng truyền từ tải của động cơ về dc link. Một cách lựa chọn tốt hơn là phản hồi năng lượng về hệ thống phân phối. Tuy nhiên, cách này cần một giao thức đảo ngược dòng được nối giữa hệ thống phân phối và tụ liên kết một chiều. Một phương pháp mới là dùng các kỹ thuật lọc tích cực trước khâu cuối (the active front-end rectifer technologies), với chế độ phát lại là chế độ hoạt động tự nhiên của hệ thống.

Trong chương này, ta sẽ nói về các bộ nghịch lưu một pha và ba pha dạng nguồn dòng và áp. Dc link sẽ được coi như là thành phần dc hoàn hảo, cả nguồn dòng và áp đều có thể được giữ cố định như điện áp liên kết một chiều (dc link) trong ASDs chuẩn hoặc được thay đổi như dòng dc link trong các động cơ nguồn dòng có điện áp trung bình. Đặc biệt ta sẽ tìm hiểu về các giao thức, các kỹ thuật điều chế, phương diện điều khiển, hướng ứng dụng. Để quá trình phân tích được đơn giản hơn, ta coi như các bộ nghịch lưu là các giao thức không có sự tiêu tốn (gồm các khóa công suất lý tưởng). Tuy nhiên, một vài điều kiện thực tế, không lý tưởng cũng sẽ được đề cập đến.

2. Các bộ nghịch lưu nguồn áp một phaCác bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) một pha gồm 2 dạng: bán cầu và toàn cầu. Mặc dù

công suất của chúng thấp nhưng chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các bộ cung cấp nguồn (power supplies). UPSs một pha và trong các giao thức nguồn tĩnh có công suât cao phức tạp hiện nay (form elaborate high-power static power topologies)

2.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu. Hình 3.2 cho ta thấy dạng mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầu, 2 tụ

điện lớn để tạo ra điểm trung tính N, mỗi tụ điện duy trì một điện áp cố định vi /2. Bởi vì các hài dòng được sinh ra bởi hoạt động của bộ nghịch lưu là các hài có bậc thấp (low-order harmonics), nên ta cần phải đặt vào các tụ điện lớn (C+ và C- ).



Hình 3.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha bán cầuMột điều cần lưu ý rằng cả 2 công tắc S+ và S- đều không thể được dẫn đồng thời vì

sẽ gây ra sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi (dc link voltage source). Có hai trạng thái đóng ngắt xác định (trạng thái 1 và 2) và một trạng thái đóng ngắt không xác định (trạng thái 3) như trong bảng 3.1. Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn dc và trạng thái điện áp ngõ ra xoay chiều không xác định, kỹ thuật điều chế nên luôn đảm bảo rằng tại mỗi thời điểm hoặc công tắc trên hoặc chỉ công tắc dưới của bộ nghịch lưu được On.

Bảng 3.1 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha bán cầu.

Hình 3.3 cho thấy dạng sóng lý tưởng ứng với bộ nghịch lưu bán cầu trong hình 3.2. Các trạng thái của các công tắc S+ và S- được xác định bởi kỹ thuật điều chế, mà trong trường hợp này là kỹ thuật điều chế sóng mang cơ bản PWM.

Hình 3.3 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (ma=0.8, mf =9): (a) các tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S+; (c) trạng thái của công tắc S- ; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) chuỗi(spectrum) điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay



chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) chuỗi dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S+ ; (j) dòng của diode D+.

2.1.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản.Như đã đề cập ở trước, điều mong muốn là điện áp xoay chiều ngõ ra vo = vAN theo

như dạng sóng đã cho (có nghĩa là dạng sóng sin) bằng cách đóng ngắt một cách thích hợp các khóa công suất. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng mang cơ bản xác định các trạng thái đóng, ngắt của các khóa trên một nhánh của bộ nghịch lưu bằng cách so sánh một tín hiệu điều chế vc (điện áp ngõ ra xoay chiều mong muốn) và một sóng tam giác v∆ (tín hiệu sóng mang). Trong thực tế, khi vc > v∆ công tắc S+ đóng và công tắc S- ngắt. Tương tự, khi vc < v∆ công tắc S+ ngắt và công tắc S- đóng.

Một trường hợp đặc biệt là khi tín hiệu điều chế vc là một sóng sin với tần số fc và

biên độ c , và tín hiệu tam giác v∆ với tần số f∆ và biên đo ∆ . Đây là loại điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM). Trong trường hợp này, hệ số điều chế ma (còn được coi là tỉ số biên độ điều chế) được xác định là:

(3.1)Và hệ số tần số sóng mang mf (tỉ số tần số điều chế) là:

(3.2)Hình 3.3 (e) cho ta thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều vo = vaN là dạng sóng sin cơ

bản có chứa hài, với các đặc điểm sau:

a. Biên độ của điện áp xoay chiều ngõ ra o1 của thành phần cơ bản thỏa biểu thức sau:

(3.3)b. Với các hài lẻ tần số sóng mang mf của điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện các tần

số fh xung quanh mf và các bội số của nó h = lmf ± k, l = 1, 2, 3… với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5, … và k = 1, 3, 5 … ứng với l = 2, 4, 6, …

c. Biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của các hài là một hàm của hệ số điều chế ma và không phụ thuộc vào tần số sóng mang mf nếu mf > 9.

d. Các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện với các tần số fp quanh tần số sóng mang mf và các bội số của nó: p = lmf ± k ± 1, l = 1, 2, 3, … với k = 2, 4, 6, … ứng với l = 1, 3, 5 … và k = 1, 3, 5, … ứng với l = 2, 4, 6, …

Các vấn đề quan trọng cũng cần phải chú ý là: - Với các giá trị mf nhỏ (mf < 21), tín hiệu sóng mang v∆ và tín hiệu điều chế vc nên

đồng bộ với nhau để đảm bảo các đặc tính ở trước. Nếu không, các hài bậc ba sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều.

- Với các giá trị mf lớn (mf >21), các hài bậc ba sẽ không đáng kể nếu sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung không đồng bộ. Tuy nhiên, vì có khả chứa các hài bậc ba có bậc thấp (low order subharmonics) nên phương pháp này nên tránh sử dụng.

- Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) một số chỗ giao nhau giữa sóng mang và sóng điều chế được bị lệch, điều này dẫn đến sự phát sinh ra các hài bậc thấp nhưng nó chứa thành phần cơ bản có mức điện áp ngõ ra xoay chiều cao hơn. Không may là, tính chất

tuyến tính giữa ma và o1 đạt được trong vùng tuyến tính ở biểu thức (3.3) không được giữ trong vùng ngoài điều chế, hơn nữa, ta có thể thấy được ảnh hưởng của sự bão hòa ở hình (3.4).



Hình 3.4 Thành phần xoay chiều cơ bản của điện áp ngõ ra trong bộ nghịch lưu nguồn

áp bán cầu với kỹ thuật SPWMKỹ thuật PWM cho phép tạo ra một điện áp ngõ ra xoay chiều. Trường hợp đặc biệt

của kỹ thuật này là kỹ thuật SPWM (tín hiệu điều chế là sóng sin) tạo ra trong vùng tuyến tính một điện áp ngõ ra xoay chiều thay đổi tuyến tính theo một hàm của hệ số điều chế và có các hài với tần số và biên độ được xác định rõ. Các đặc điểm này đơn giản hóa các thành phần của bộ lọc khi thiết kế. Tuy nhiên, biên độ tối đa của điện áp xoay chiều của thành phần cơ bản là vi /2 trong chế độ hoạt động này. Các mức điện áp cao hơn đạt được bằng cách sử dụng vùng quá điều chế (ma >1); tuy nhiên, các hài bậc thấp sẽ xuất hiện trong điện áp ngõ ra xoay chiều. Các giá trị rất lớn của hệ số điều chế (ma > 3.24) điện áp ngõ ra xoay chiều hoàn toàn vuông và nó được xem như là kỹ thuật điều chế sóng vuông.

2.1.2 Kỹ thuật điều chế sóng vuông (Square- Ware Modulating Technique). Cả hai công tắc S+ và S- đều đóng trong một bán kì của ngõ ra xoay chiều. Kỹ thuật

này tương đương với kỹ thuật SPWM với chỉ số điều chế không xác định. Hình 3.5 cho ta thấy: điện áp ngõ ra xoay chiều chuẩn của các hài tại các tần số có h = 3, 5, 7, 9, … và ứng với một điện áp liên kết một chiều; biên độ của điện áp ngõ ra xoay chiều của thành phần cơ bản được cho bởi:

(3.6)Và biên độ của các hài được cho bởi:

(3.7) Ta có thể xem như điện áp ngõ ra xoay chiều không thể thay đổi được bằng bộ

nghịch lưu. Tuy nhiên, ta có thể thay đổi bằng cách điều khiển điện áp liên kết một chiều vi. Các kỹ thuật điều chế khác cũng có thể được ứng dụng trong cấu hình bán cầu (như kỹ thuật loại trừ hài có chọn lựa).



Hình 3.5 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật điều

chế sóng vuông: (a) điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) chuỗi (phổ) của điện áp ngõ ra xoay chiều.

2.1.3 Sự loại trừ hài có chọn lựa (Selective Harmonic Elimination): Mục đích chính là đạt được một dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều hình sin với

thành phần cơ bản có thể được điều chỉnh một cách tùy ý trong một phạm vi và các hài thực chất được loại trừ một cách có chọn lọc. Điều này đạt được bằng cách tạo ra một cách chính xác các thời điểm đóng và ngắt của các van công suất (power valves). Điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ (voh = 0, h = 2, 4, 6 …). Tuy nhiên, dạng sóng điện áp mỗi pha (vo = vAN trong hình 3.2), nên được đóng ngắt N lần trên mỗi bán kì để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1 trong dạng sóng điện áp ngõ ra. Ví dụ, để loại trừ các hài bậc thứ 3 và thứ 5 và điều khiển độ lớn của thành phần cơ bản (N = 3), ta giải quyết các biểu thức sau:

(3.8)Các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.6a. Các góc được xác định bằng các

phương pháp của thuật toán lặp lại vì không có các kết quả phân tích nào được đưa ra.

Hình 3.6 Các dạng sóng lý của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc (SHE: Selective Harmonic Elimination): (a) điện áp ngõ ra xoay

chiều với sự lọai trừ hài thứ ba và thứ 5; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra xoay chiều với sự loại trừ hài thứ 3, 5 và 7; (d) phổ của (c).

Các góc 1, 2, và 3 được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7a. Công thức chung để loại trừ một số các hài chẵn N-1 (N – 1 = 2, 4, 6, …) là



(3.9)Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Tương tự, để hạn chế một số các hài lẻ,

ví dụ, bậc 3, 5 và 7, và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản (N – 1 = 3), ta phải giải quyết các biểu thức sau:

(3.10)Các góc 1, 2, 3 và4 được xác định như trong hình 4.6b. Các góc 1, 2, 3 và4 được đánh

dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 4.7b.

Hình 3.7 Các góc đóng ngắt với SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong bộ nghịch lưu

nguồn áp nửa cầu: (a) sự loại trừ các hài thứ 3 và 5; (b) sự loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7.Biểu thức chung để loại trừ một số các hài lẻ N – 1 (N- 1 = 3, 5, 7 … ) được cho bởi:

(3.11)Để thực hiện kỹ thuật điều chế SHE, bộ điều chế nên tạo ra mô hình cổng tùy theo các

góc như trong hình 3.7. Nhiệm vụ này luôn được thực hiện bởi các hệ thống số mà nó thông thường chứa các góc trong các bảng tra cứu.

2.1.4 Dòng liên kết một chiều (DC Link Current) Các tụ điện được xem như là một phần của bộ nghịch lưu và vì vậy một nguồn điện

cân bằng tức thời không thể được coi là nhờ các thành phần lưu trữ năng lượng (C+ và C-). Tuy nhiên, nếu ta xem như là bộ nghịch lưu không có sự tiêu tán, năng lượng trung bình tiêu thụ bởi tải trong một thời gian phải được cân bằng với giá trị trung bình của nguồn cung cấp bằng nguồn dc. Vì vậy, ta có:



(3.12)Với T là thời gian của điện áp ngõ ra xoay chiều. Với tải cảm và tần số đóng ngắt khá

cao, dòng tải io thì gần như dạng sin và vì vậy, chỉ có thành phần cơ bản của điện áp ngõ ra cung cấp đến tải. Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều duy trì với giá trị không đổi vi (t) = Vi ,biểu thức (4.12) có thể được đơn giản hóa thành:

(3.13)Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng cơ bản, Io là dòng tải hiệu dụng, f là

hệ số công suất của một tải cảm tùy ý, và Ii là dòng liên kết một chiều mà nó có thể được đơn giản hóa tiếp thành:

(3.14)

2.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu (Full-Bridge VSI)Hình 3.8 cho ta thấy dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Bộ nghịch

lưu này tương tự với bộ nghịch lưu bán cầu, tuy nhiên, một nhánh thứ hai cung cấp điểm trung tính cho tải. Như ta đã biết, cả hai công tắc S1+ và S1- (hoặc S2+ và S2-) không thể cùng dẫn đồng thời vì sẽ dẫn đến sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều vi. Có 4 trạng thái đóng ngắt xác định (1, 2, 3 và 4) và một trạng thái đóng ngắt không xác định như trong bảng 3.2.

Hình3.8 Bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu một pha (Single-phase full-bridge VSI)



Bảng 3.2 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp một pha toàn cầu

Điều kiện không xác định nên được tránh để điện áp ngõ ra xoay chiều luôn có thể xác

định được. Để tránh sự ngắn mạch qua đường dẫn một chiều (dc bus) và trạng thái không xác định của điện áp ngõ ra xoay chiều, kỹ thuật điều chế nên đảm bảo rằng cả công tắc ở trên hay ở dưới của mỗi nhánh đều không cùng dẫn tại bất cứ thời điểm nào. Ta có thể thấy rằng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đạt đến giá trị tối đa là điện áp liên kết một chiều vi, và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu áp bán cầu.

Một số kỹ thuật điều chế được phát triển cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Trong số đó là các kỹ thuật PWM (lưỡng cực (bipolar) và đơn cực (unipolar).

2.2.1 Kỹ thuật PWM lưỡng cựcCác trạng thái 1 và 2 (bảng 3.2) được dùng để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều trong

phương pháp này. Vì vậy, các đặc điểm của dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ có 2 giá trị là vi và –vi . Để tạo ra các trạng thái này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong cấu trúc bán cầu (hình 3.3), chỉ dùng một tín hiệu điều chế dạng sóng sin. Ta nên chú ý là trạng thái đóng của công tắc S+ trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1+ và S2- trong dạng toàn cầu. Tương tự, trạng thái đóng của công tắc S- trong dạng bán cầu thì tương đương với trạng thái on của cả hai công tắc S1- và S2+ trong dạng toàn cầu. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin lưỡng cực. Dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu về

cơ bản là dạng sóng sin, biên độ của thành phần cơ bản o1 thỏa biểu thức sau trong vùng tuyến tính của kỹ thuật điều chế (ma ≤ 1), và nó gấp 2 lần so với bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu.

(3.15)

Trong vùng ngoài điều chế (ma > 1) biên độ của thành phần cơ bản o1thỏa biểu thức sau:

(3.16) 2.2.2 Kỹ thuật PWM đơn cực.



Trái với phương pháp lưỡng cực, kỹ thuật PWM đơn cực dùng các trạng thái 1, 2, 3, và 4 (bảng 3.2) để tạo ra điện áp ngõ ra xoay chiều. Vì vậy, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều có thể đồng thời đạt được một trong 3 giá trị: vi, -vi, và 0. Để tạo ra các giá trị này, ta có thể dùng kỹ thuật sóng mang cơ bản như trong hình 3.9, bằng cách dùng 2 tín hiệu điều chế dạng sóng sin (vc và –vc ). Tín hiệu vc được dùng để tạo ra vaN, và –vc được dùng để

tạo ra vbN. Vì vậy, vbN1 = -vaN1. Mặt khác, vo1 = vaN1 – vbN1 = 2* vaN1; vì vậy,

o1=2* aN1=ma*vi. Phương pháp này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng sóng sin đơn cực.

Các kết quả tương tự có thể được rút ra với biên độ của thành phần cơ bản và các hài của điện áp xoay chiều ngõ ra và dòng điện liên kết một chiều, và với các chế độ hoạt động tại các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf, (bao gồm vùng ngoài điều chế (ma > 1)), cao hơn so với các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu sử dụng phương pháp SPWM lưỡng cực. Tuy nhiên, bởi vì các điện áp pha (vaN và vbN) bằng nhau nhưng lệch pha nhau 180o, điện áp ngõ ra (vo = vab = vaN – vbN) sẽ không chứa các hài chẵn. Vì vậy, nếu mf là chẵn, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh lẻ quanh 2 lần sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó. Cụ thể là: h = lmf ± k, l= 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … và các hài trong dòng liên kết một chiều xuất hiện tại các tần số chuẩn fp xung quanh 2 lần tần số sóng mang chuẩn mf và các bội số của nó. Cụ thể là:p = lmf ± k ± 1, l = 2, 4, …với k= 1, 3, 5, … Đặc điểm này được xem như là một ưu điểm bởi vì nó cho phép sử dụng các thành phần của bộ lọc nhỏ hơn để đạt được dạng sóng điện áp và dòng điện có chất lượng cao với cùng tần số đóng ngắt như các bộ nghịch lưu nguồn áp sử dụng phương pháp lưỡng cực.

a. Sự loại trừ hài có chọn lọcTrái với các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu, phương pháp này được áp dụng cho mỗi

loại dây (per- line fashion) cho các bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu. Điện áp ngõ ra xoay chiều chỉ chứa các hài lẻ. Hơn nữa, dạng sóng điện áp ngõ ra xoay chiều (vo = vab trong hình 4.8) nên có N xung trên mỗi bán kù để điều chỉnh thành phần cơ bản và loại trừ các hài N-1. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 3, 5, và 7 và để điều khiển biên độ của thành phần cơ bản N=4), ta giải quyết các biểu thức sau:

(3.19)



Hình 3.9 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng với kỹ thuật

SPWM đơn cực (ma = 0.8, mf = 8): (a) tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang; (b) trạng thái của công tắc S1+; (c) trạng thái của công tắc S2+; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ điện áp ngõ ra xoay chiều; (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng điện của công tắc S1+; (j) dòng diode D1+.

Với các góc 1, 2, 3 và 4 được xác định như trong hình 3.10 (a). Các góc 1, 2, 3 và 4

được đánh dấu với các giá trị khác nhau của o1/vi trong hình 3.11a. Công thức chung để loại trừ một số các hài một cách tùy ý N-1 (N – 1 = 3, 5, 7, …) là

(3.20)Với 1, 2, … N nên thỏa 1 < 2 < … < N < π/2. Hình 3.10c cho biết một trường hợp đặc

biệt chỉ điện áp ngõ ra xoay chiều là được điều khiển. Điều này được biết như là điều khiển ngõ ra bằng sự xóa bỏ điện áp bắt nguồn từ thực tế là sự thực thi của nó có thể đạt được



một cách dễ dàng bằng cách dùng 2 tín hiệu chuyển mạch dạng sóng vuông dịch pha nhau như trong hình 3.12.

Hình 3.10 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu lý tưởng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 3, 5 và 7 của điện áp ngõ ra xoay chiều; (b) phổ của (a); (c) điện áp ngõ ra ac với sự điều khiển cơ bản; (d) chuỗi(phổ) của (c).

Hình 3.11 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản

của các bộ nghịch lưu nguồn áp bán cầu: (a) sự điều khiển cơ bản và sự loại trừ hài thứ 3, 5, 7; (b) điều khiển cơ bản

Góc dịch pha trở thành 2* 1 (hình 3.11b). Vì vậy, biên độ của thành phần cơ bản và của các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều được cho bởi:

(3.21) Ta cũng có thể thấy trong hình 3.12c để 1 = 0 thì cần phải đạt được sóng vuông. Trong

trường hợp này, điện áp ngõ ra xoay chiều cơ bản theo công thức:

(3.22)Với điện áp tải cơ bản có thể được điều khiển bằng cách sử dụng điện áp liên kết một

chiều.



Hình 3.12 Dạng sóng của bộ nghịch lưu nguồn áp toàn cầu lý tưởng ứng với sự điều khiển điện áp bằng sự xóa bỏ điện áp: (a) trạng thái của công tắc S1+; (b) trạng thái của công tắc S2+; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của (c). switch S1. state; (b) switch S2. state; (c)

b. Dòng liên kết một chiều (DC Link Current)Vì thực tế là bộ nghịch lưu được xem như là không só sự tiêu tán và được cấu tạo

không chứa các linh kiện tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời bằng nhau:

(3.23)Đối với tải cảm và tần số đóng ngắt khá cao, dòng tải io gần như dạng sin. Với phép

toán xấp xỉ, điện áp ngõ ra xoay chiều cũng có thể được xem như là dạng sóng sin. Mặt khác, nếu điện áp liên kết một chiều là hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.23) có thể được đơn giản thành:

(3.24)Với Vo1 là điện áp ngõ ra xoay chiều hiệu dụng, Io là dòng điện tải hiệu dụng, và f là

hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Vì vậy, dòng liên kết một chiều có thể được rút gọn tiếp thành:

(3.25)Điều quan trọng cần chú ý là sự có mặt của hài bậc 2 trong dòng liên kết một chiều

(biên độ của nó tương tự với dòng liên kết một chiều). Hài thứ 2 này được đưa về nguồn áp dc, vì vậy, khi thiết kế nên xét đến nó để đảm bảo là điện áp liên kết một chiều gần như là cố định. Trong thực tế, nguồn áp dc đòi hỏi có số lượng lớn các tụ điện (chi phí cao, tốn không gian, nhiều đặc tính phức tạp đặc biệt đối với các nguồn cung cấp có công suất trung bình và cao).

3. Các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (Three-Phase Voltage Source Inverters)

Các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp và các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được sử dụng trong các ứng dụng công suất trung bình và cao. Mục đích chính của các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha là cung cấp một nguồn áp 3 pha với biên độ, pha và tần số của điện áp có thể điều khiển được. Mặc dù hầu hết các ứng dụng đều đòi hỏi dạng sóng điện áp hình sin (ví dụ: ASDs, UPSs, FACTS, var compensators), nhưng các điện áp bất kỳ cũng được yêu cầu trong một số ứng dụng (ví dụ: các bộ lọc tích cực, các bộ bù điện áp).



Dạng mạch chuẩn của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như trong hình 3.13 và 8 trạng thái đóng ngắt được cho trong bảng 3.3. Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, các công tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu (S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2 không thể đóng đồng thời vì nó sẽ gây nên sự ngắn mạch qua nguồn áp liên kết một chiều. Tương tự, để tránh các trạng thái không xác định trong bộ nghịch lưu áp, và các điện áp dây ngõ ra xoay chiều không xác định, các công tắc của bất kỳ nhánh nào của bộ nghịch lưu đều không thể ngắt đồng thời và vì vậy, điều này sẽ dẫn đến kết quả là điện áp sẽ phụ thuộc vào cực của dòng điện dây tương ứng.

Hình 3.13 Dạng mạch của bộ nghịch lưu áp 3 pha

Bảng 3.3 Các trạng thái đóng ngắt hợp lý của bộ nghịch lưu áp 3 phaTrong số 8 trạng thái ở bảng 4.3, có 2 trạng thái (7 và 8) tạo ra điện áp dây xoay chiều

bằng 0. Trong trường hợp này, các dòng điện dây xoay chiều sẽ được dẫn qua một trong các linh kiện ở trên hoặc ở dưới. Các trạng thái còn lại (1 đến 6 trong bảng 4.3) tạo ra các mức điện áp ngõ ra xoay chiều khác 0. Để tạo ra dạng sóng điện áp như mong muốn thì bộ nghịch lưu phải chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Vì vậy, kết quả là điện áp ngõ ra xoay chiều bao gồm các giá trị rời rạc: vi, 0 và –vi. Việc lựa chọn các trạng thái để tạo ra dạng sóng như mong muốn được thực hiện bởi kỹ thuật điều chế cần đảm bảo là chỉ sử dụng các trạng thái thích hợp.

3.1.Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin Đây là phần mở rộng của kỹ thuật SPWM trong các bộ nghịch lưu áp một pha. Trong

trường hợp này, để tạo ra các điện áp của tải lệch pha nhau một góc 120o, ta cần sử dụng 3 tín hiệu điều chế lệch pha nhau 120o. Hình 3.14 cho thấy dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha với kỹ thuật điều chế SPWM. Để sử dụng một tín hiệu sóng mang và để đảm bảo các đặc điểm của kỹ thuật điều chế độ rộng xumg, tần số sóng mang chuẩn mf nên là các giá trị lẻ và là bội số của 3. Vì vậy, tất cả các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) đều bằng nhau nhưng lệch pha nhau 1200 và không chứa hài; hơn nữa, các hài tại các tần số là bội của 3 thì bằng nhau về biên độ và pha trong tất cả các pha. Ví dụ, nếu hài thứ 9 trong pha aN là:



(3.26)Thì hài thứ 9 trong pha bN sẽ là:

(3.27) Vì vậy, điện áp dây ngõ ra xoay chiều vab = vaN –vbN sẽ không chứa hài thứ 9. Vì

vậy, với các giá trị là bội số lẻ của 3 của tần số sóng mang chuẩn mf, các hài trong điện áp ngõ ra xoay chiều sẽ xuất hiện tại các tần số chuẩn fh và các bội số của nó, cụ thể là:

(3.28)Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h

không là bội của 3. Vì vậy, các hài sẽ là mf ± 2, mf ± 4, … 2mf ±1, 2mf ±2, … 3mf ±2, 3mf ±4, … 4mf ±1, 4mf ±5,…

Để dòng điện tải gần như dạng sóng sin, các hài trong dòng liên kết dc tại các tần số được cho bởi:

(3.29)Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … như

vậy h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 3.14h cho ta thấy hài thứ 6 (h=6), vì h=1*9 -2-1=6. Các kết quả tương tự có thể được đưa ra với các giá trị lớn và nhỏ của mf như với các cấu hình 1 pha. Tuy nhiên, bởi vì biên độ tối đa của điện áp pha cơ bản trong vùng tuyến tính (ma ≤1) là vi/2, nên biên độ tối đa của điện áp dây ngõ ra xoay chiều

của thành phần cơ bản là . Vì vậy ta có thể viết:

(3.30)

Để tăng biên độ của điện áp tải, biên độ của tín hiệu điều chế c có thể được tạo ra cao hơn biên độ của tín hiệu sóng mang v∆ , điều này dẫn đến sự quá điều chế. Mối quan hệ giữa biên độ của điện áp dây ngõ ra xoay chiều cơ bản và điện áp liên kết dc trở nên không tuyến tính như trong các bộ nghịch lưu nguồn áp một pha. Vì vậy, trong vùng quá điều chế, giới hạn của điện áp dây là:

(3.31)3.2. Hoạt động sóng vuông của các bộ nghịch lưu áp 3 pha(Square - Wave Operation…)Các giá trị lớn của ma trong kỹ thuật SPWM dẫ đến sự quá điều chế. Điều này được

biết như là hoạt động sóng vuông và được minh họa trong hình 3.15, với các van công suất được đóng ở 1800. Trong chế độ hoạt động này, bộ nghịch lưu không thể điều khiển điện áp tải ngoại trừ bằng phương pháp của điện áp liên kết dc vi. Biểu thức của điện áp dây xoay chiều cơ bản:

(3.32)



Điện áp dây ngõ ra xoay chiều có chứa các hài fh, với h=6*k±1 (k= 1, 2, 3, … ) và và biên độ của chúng tỉ lệ nghịch với bậc của hài (hình 3.15d). Công thức của các biên độ đó là:

(3.33)

Hình 3.14 Chế độ hoạt động sóng vuông của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) trạng thái của công tắc S1; (b) trạng thái của công tắc S3; (c) điện áp ngõ ra xoay chiều; (d) phổ của điện áp ngõ ra xoay chiều.

3.3.Sự loại trừ hài có chọn lọc trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.Như trong các bộ nghịch lưu áp một pha, kỹ thuật loại trừ hài có chọn lọc có thể được

áp dụng với các bộ nghịch lưu áp 3 pha. Trong trường hợp này, các khóa công suất của mỗi nhánh của bộ nghịch lưu được đóng ngắt để loại trừ một số các hài cho trước và để điều khiển biên độ của điện áp pha. Trong nhiều ứng dụng, các điện áp dây ngõ ra nên cân bằng và lệch pha nhau 1200, các hài là bội số của 3 (h= 3, 9,15, …) có thể được có mặt trong các điện áp pha (vaN, vbN, vcN) và sẽ không xuất hiện trong các điện áp tải (vab, vbc, vca). Vì vậy, các hài này không cần phải loại trừ, vì các góc đóng ngắt được dùng để chỉ loại trừ các hài tại các tần số h= 5, 7, 11, 13, … .

Biểu thức để loại trừ một số hài được chọn cũng giống với các biểu thức được dùng trong các bộ nghịch lưu 1 pha. Ví dụ, để loại trừ các hài thứ 5, 7 và để điều khiển biên độ cơ bản (N=3), ta giải các phương trình sau:

(3.34)Với các góc 1, 2, và 3 được xác định như trong hình 3.16(a) và được đánh dấu như

trong hình 3.17. Hình 3.16b cho thấy rằng, các hài thứ 3, 9, 15, … luôn có mặt trong các điện áp pha; tuy nhiên, chúng không xuất hiện trong các điện áp dây (hình 3.16d)



Hình 3.15 Dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp 3 pha ứng với kỹ thuật SHE: (a) sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp pha vaN; (b) phổ của (a); (c) sự loại trừ các hài thứ 5, 7 trong điện áp dây vab; (d) phổ của (c).

Hình 3.16 Các góc đóng ngắt ứng với kỹ thuật SHE và sự điều khiển điện áp cơ bản trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha: sự loại trừ hài thứ 5 và 7.

3.4..Các kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản (Space-Vector-based Modulating Techniques)Hiện nay, các phương thức điều khiển được thực hiện trong các hệ thống số, và vì vậy

các kỹ thuật điều chế số cũng có thể được ứng dụng. Kỹ thuật điều chế vector không gian cơ bản là một kỹ thuật số mà mục đích chính là tạo ra các điện áp dây của tải PWM mà nó bằng mức trung bình của các điện áp dây của tải. Điều này được thực hiện trong mỗi thời gian lấy mẫu bằng cách lựa chọn một cách thích hợp các trạng thái đóng ngắt từ một số trạng thái hợp lý của bộ nghịch lưu áp (bảng 3.3) và tính toán chính xác các khoảng thời gian chúng được sử dụng. Sự lựa chọn và tính toán thời gian tùy thuộc vào sự chuyển đổi vector không gian.

3.4.1 Sự chuyển đổi vector không gian Bất sự thay đổi trong nhóm 3 pha mà nó tăng thêm đối với các khung cố định abc

có thể được biểu diễn trong một mặt phẳng phức bởi một vector tổng hợp bao gồm một thành phần thực () và một thành phần phức ( i). Ví dụ, vector của các tín hiệu điều chế dây



3 pha là có thể được biểu diễn bằng vector tổng hợp

bằng các phương pháp chuyển đổi sau:

(3.35)

(3.36)Nếu các tín hiệu điều chế dây [vc]abc là ba dạng sóng sin cân bằng cùng một biên độ

c và tần số góc , các tín hiệu điều chế được tạo thành trong khung khung tĩnh Vc = [vc ]

trở thành một vector của môđun c cố định, và nó quay với tần số (hình 3.18). Tương tự, sự chuyển đổi vector không gian được áp dụng trong các điện áp dây của 8 trạng thái của bộ nghịch lưu áp đối với vi (bảng 3.3), mà nó tạo ra 8 vector không gian (Vi, i= 1, 2, …8) trong hình 3.18. Như được mong đợi, V1 đến V6 là các vector điện áp dây có giá trị (nonnull) và V7 vàV8 là các vector điện áp dây vô hiệu.

Hình 3.17 Sự biểu diễn của vector không gianMục đích của kỹ thuật vector không gian thì gần giống với tín hiệu điều chế Vc với 8

vector không gian (Vi, i= 1, 2, …, 8) có sẵn trong các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, nếu tín hiệu điều chế Vc được thiết lập giữa 2 vector bất kỳ Vi và Vi+1, thì chỉ nên dùng 2 vector khác 0 gần nhất (Vi, Vi+1) và 1 vector không gian zero (Vz = v7 hoặc V8). Vì vậy, điện áp tải tối đa được tối đa hóa và tần số đóng cắt được tối thiểu hóa. Để đảm bảo là điện áp được tạo ra trong khoảng thời gian lấy mẫu Ts (các điện áp được qui định bởi các vector Vi, Vi+1, và Vz được dùng trong các khoảng thời gian Ti, Ti+1, và Tz) thì bằng với vector Vc, ta có biểu thức sau:

(3.37)Kết quả của phần thực và phần ảo của biểu thức (3.37) ứng với điện áp dây của tải,

biên độ bị giới hạn trong khoảng: 0 ≤ c ≤ 1 từ đó:

Ti = Ts * c * sin(π/3 - ) (3.38)

Ti+1 = Ts * c *sin() (3.39)Tz = Ts – Ti – Ti+1 (3.40)



Các biểu thức ở trước xác định rằng biên độ tối đa của điện áp dây cơ bản là duy nhất khi 0 ≤ ≤ π /3. Đây là điểm lợi thế hơn so với kỹ thuật SPWM và biên độ tối đa của điện

áp dây cơ bản là a trong vùng hoạt động tuyến tính. Mặc dù, kỹ thuật điều chế vector không gian chọn lọc các vector được sử dụng và tương ứng với với từng thời điểm chính xác, nhưng sự lựa chọn của vector không gian zero và tần số lấy mẫu chuẩn vẫn chưa xác định được.

Chẳng hạn như, nếu vector điện áp dây đang điều chế là vector 1 (hình 3.18), các vector V1, V2, và Vz nên được sử dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu lần lượt là T1, T2, và Tz. Vẫn còn vấn đề được đặt ra là các chuỗi (i) V1 – V2 – Vz, (ii) Vz – V1 – V2 – Vz, (iii) Vz – V1 – V2 – V1 – Vz, (iv) Vz – V1 – V2 – Vz – V2 – V1 – Vz , hoặc bất kỳ các chuỗi nào khác thì thực tế là ta nên dùng chuỗi nào. Và cuối cùng, kỹ thuật này không xác định được là vector zero nào ta nên dùng: V7, V8, hay là tổng hợp của 2 vector này.

3.4.2 Sự lựa chọn chuỗi vector không gian và vector zeroChuỗi được dùng nên đảm bảo là các điện áp dây của tải có đặc tính đối xứng theo góc

phần tư (quarter-wave symetry) để giảm các hài không mong muốn trong các chuỗi của chúng (các hài chẵn). Thêm vào đó, nên được thực hiện việc lựa chọn vector không gian zero để giảm tần số đóng cắt. Mặc dù đây không là một phương pháp đối xứng để tạo ra một chuỗi vector không gian, sự biểu diễn đồ thị cho tha thấy rằng các chuỗi Vi, Vi+1, Vz (với Vz được lựa chọn luân phiên giữa V7 và V8) sẽ cho ta hiệu suất cao hơn trong việc giảm thiểu các hài không mong muốn và giảm tần số đóng cắt.

a.Tần số lấy mẫu chuẩn.Tần số sóng mang chuẩn mf trong các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ

bản 3 pha được chọn là một số nguyên lẻ bội của 3 (mf = 3*n; n= 1, 3, 5, … ). Vì vậy, ta có thể giảm thiểu các hài kí sinh hoặc các hài không có ích trong các dạng sóng PWM. Một phương pháp tương tự có thể được sử dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian để giảm thiểu các hài không mong muốn. Do đó, ta chọn tần số lấy mẫu chuẩn fsn nên là một số nguyên là bội của 6. Để tạo ra các điện áp dây cân xứng, tất cả các cung (sector) (tổng là 6) nên được dùng như nhau trong mỗi chu kì. Ví dụ, trong hình 3.19 cho ta thấy các dạng sóng có liên quan của bộ nghịch lưu áp dùng kỹ thuật vector không gian ứng với fsn = 18

và c = 0.8. Hình 3.19 chứng thực rằng các hài đáng chú ý đầu tiên trong điện áp dây của tải là tại tần số fsn, và tần số này cũng chính là tần số đóng cắt.



Hình 3.18 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu áp ba pha ứng với kỹ thuật điều

chế vector không gian ( c = 0.8, fsn = 18): (a) các tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1, (c) trạng thái của công tắc S3; (d) điện áp ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (g) dòng điện một chiều; (h) phổ của dòng điện một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) dòng qua diode D1.

b. Dòng liên kết một chiều trong các bộ nghịch lưu áp 3 phaVì ta xem như bộ nghịch lưu là thiết bị không tiêu tán và cấu tạo của nó không chứa

các thành phần tích trữ năng lượng, nên công suất tức thời được xác định như sau:

(3.41)Với ia(t), ib(t), ic(t) là các dòng điện pha của tải, xem hình 4.20. Nếu tải là cân bằng và

là tải cảm, tần số đóng cắt tương đối cao thì các dòng điện tải gần như là các dạng sóng sin cân bằng. Mặt khác, nếu các điện áp ngõ ra xoay chiều được xem như là dạng sin và điện áp liên kết một chiều được coi như là một hằng số vi(t)=Vi, biểu thức (4.41) được đơn giản thành:

(3.42)



Với Vo1 là điện áp dây ngõ ra hiệu dụng cơ bản, Io là dòng điện pha hiệu dụng của tải, và f là hệ số công suất của tải cảm bất kỳ. Như vậy, biểu thức của dòng điện liên kết một chiều được rút gọn tiếp thành:

(3.43)

Với Il= là dòng điện dây hiệu dụng của tải. Kết quả của biểu thức dòng điện liên kết một chiều cho thấy các điện áp tải không chứa hài bậc thấp, so với các bộ nghịch lưu áp một pha thì ở đây không xuất hiện hài bậc hai. Tuy nhiên, vì các điện áp dây của tải có chứa các hài xung quanh tần số lấy mẫu chuẩn fsn, dòng điện liên kết một chiều sẽ vẫn chứa các hài nhưng xung quanh tần số fsn như trong hình 3.19h.

Hình 3.19 Các dòng điện pha của tải được nối dạng tam giác (kiểu nối delta-∆)5. Các điện áp pha của tải trong các bộ nghịch lưu áp 3 pha.

Đôi khi tải được mắc dạng sao (Y) và các điện áp pha của tải là van, vbn, vcn (hình 4.21).

Hình 3.20 Các điện áp pha của tải được mắc dạng hình sao (Y)Để xác định được chúng, ta nên xem các vector điện áp dây là:

(3.44)Vector của điện áp dây có thể được viêt như là một hàm cảu vector điện áp pha [van

vbn vcn]T như là:

(3.45)



Biểu thức (3.45) trình bày một hệ thống tuyến tính với ẩn số là vector [van vbn vcn]T. Nhưng hệ thống này ,vì vậy, các điện áp pha của tải không thể xác định bằng phương pháp ma trận đảo. Tuy nhiên, nếu các điện áp pha , biểu thức (3.45) có thể được viết lại thành:

(3.46)Và vì vậy:

(3.47)Và nó có thể được rút gọn tiếp thành:

(3.48)Biểu thức cuối cùng của các điện áp pha của tải là một hàm chỉ của vab và vbc. Hình

3.22 cho ta thấy các điện áp pha và điện áp dây đạt được khi dùng biểu thức (3.48).

Hình 3.21 Các điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu áp 3 pha: (a) điện áp dây vab của tải; (b) điện áp pha van của tải.



5.1 Các bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI: Current Source Inverters)Mục đích chính của các bộ chuyển đổi công suất này là tạo ra các dạng sóng dòng điện

ngõ ra xoay chiều dạng sóng sin với biên độ, tần số và pha có thể điều khiển được từ một nguồn cung cấp nguồn dòng một chiều. Vì các dòng điện dây xoay chiều ioa, iob, ioc (hình 3.23) có đặc tính di/dt cao, ta nên dùng một bộ lọc điện dung nối tại các cực xoay chiều trong các ứng dụng là tải cảm (ví dụ như ASDs). Các điện áp tải có dạng gần sin được dùng trong trong các ứng dụng công nghiệp có điện áp trung bình và đòi hỏi dạng sóng điện áp có chất lượng cao. Sau đây, ta chỉ phân tích về các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Các bộ nghịch lưu nguồn dòng 1 pha cũng có các phương pháp và các nguyên tắc tương tự như các bộ nghịch lưu dòng 3 pha.

Để các khóa công suất của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha được đóng cắt một cách thích hợp, ta phải luôn thỏa 2 điều kiện bắt buộc chủ yếu sau:

- Một tụ điện lớn được nối ở bên xoay chiều để tránh ngắn mạch và tối đa một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5_hình 3.23), và tối đa một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2_ hình 3.23) được đóng tại bất cứ thời điểm nào.

- Dây một chiều (dc bus) thuộc loại nguồn dòng nên nó không được để hở. Vì vậy, phải có ít nhất một công tắc ở nhánh trên (1, 3, hoặc 5) và một công tắc ở nhánh dưới (4, 6, hoặc 2) đóng tại mọi lúc.

Hình 3.22 Cấu trúc của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 phaCó 9 trạng thái hợp lệ trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha (bảng 3.4). Các trạng

thái 7, 8, và 9 tạo ra các dòng điện dây bằng không, trong trường hợp này, dòng liên kết một chiều được dẫn (freewheel) qua một trong các cặp công tắc S1 và S4, S3 và S6, hoặc S5 và S2. Các trạng thái còn lại (1 đến 6) tạo ra các dòng điện dây ngõ ra khác 0. Để tạo ra các dạng sóng dòng điện dây xoay chiều như đã định, bộ nghịch lưu phải chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Vì vậy, kết quả là các dòng điện dây có chứa các giá trị rời rạc: ii, 0, và –ii. Sự lựa chọn các trạng thái để tạo ra các dạng sóng như mong muốn được thực hiện bằng kỹ thuật điều chế.



Bảng 3.4 Các trạng thái đóng cắt hợp lệ của một bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha.

5.2. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản ban đầu được phát triển cho các

bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha, và nó cũng có thể được mở rộng cho các bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha. Mạch trong hình 3.24 là dạng mạch đóng ngắt cho một bộ nghịch lưu nguồn dòng được phát triển từ dạng mạch của một bộ nghịch lưu nguồn áp. Kết quả là dòng điện dây xuất hiện giống như điện áp dây trong bộ nghịch lưu áp với tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang tương tự.



Hình 3.23 Dạng mạch tạo ra các trạng thái đóng cắt trong bộ nghịch lưu dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cơ bản dạng tương tự.

Mô hình này bao gồm một bộ tạo xung chuyển mạch (switching pulse generator), một bộ tạo xung ngắn (shorting pulse generator), một bộ phân phối xung ngắn (shorting pulse distributor), và một bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (switching and shorting pulse combinator). Mạch này cơ bản là tạo ra các tín hiệu cổng gating signal ([S]1…6 = [S1 … S6]T tùy thuộc vào tín hiệu sóng mang i∆ ba tín hiệu điều chế[i]abc = [ica icb icc]T . Vì vậy, bất kỳ các tín hiệu điều chế mà khi kết hợp với nhau tạo ra các tín hiệu dạng sin giữa các dây (sin line-to-line set of signals) sẽ thỏa mãn yêu cầu về việc tạo ra dòng điện dây dạng sin. Ví dụ như các dạng sóng sin chuẩn, sóng sin với hài bậc 3, dạng bậc thang và deadband.

Tầng đầu tiên là bộ tạo xung chuyển mạch, các tín hiệu [Sa]123 được tạo ra tùy thuộc vào:

(3.49)Các ngõ ra của bộ tạo xung đóng ngắt (switching pulse generator) là các tín hiệu

[Sc]1…6, và nó cơ bản là các tín hiệu cổng (gating signal) của bộ nghịch lưu dòng mà không cần các xung ngắn. Điều cần thiết là phải lái (freewheeling) dòng điện liên kết dc ii khi dòng điện ngõ ra xoay chiều bằng 0. Bảng 3.5 là bảng sự thật của [Sc]1…6 ứng với tất cả các trường hợp kết hợp giữa các ngõ vào [Sa]123. Theo như điều kiện bắt buộc đầu tiên mà ta đã đề cập ở trước, tối đa 1 công tắc ở nhánh trên và 1 công tắc ở nhánh dưới được đóng.

Bảng 3.5 Bảng sự thật ứng với bộ tạo xung chuyển mạch.

Để thỏa mãn điều kiện bắt buộc thứ 2, xung ngắn (Sd = 1) được tạo ra khi không có công tắc nào ở nhánh trên đóng (Sc1 = Sc3 = Sc5 = 0) hoặc không có công tắc nào ở nhánh dưới đóng (Sc4 = Sc6 = Sc2 = 0). Khi đó, xung này chỉ được thêm vào (dùng các cổng OR) một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng (một trong các cặp công tắc 1 và 4, 3 và 6 hoặc 5 và 2) bằng bộ kết hợp xung chuyển mạch và xung ngắn (hình 3.24). các tín hiệu được tạo ra bởi bộ tạo xung ngắn [Sc]123 nên đảm bảo là:

- Chỉ một nhánh của bộ nghịch lưu nguồn dòng được ngắn mạch, vì vậy chỉ 1 trong các tín hiệu được ở mức cao trong bất cứ thời điểm nào.

- Các xung ngắn được phân phối đều nhau, vì vậy [Se]123 ở mức cao ứng với mỗi 1200. Điều này đảm bảo các dòng điện hiệu dụng đều bằng nhau trong tất cả các nhánh. Hình 3.25 cho ta thấy các dạng sóng được tạo thành nếu ta dùng một tín hiệu sóng mang dạng tam giác i∆ và các tín hiệu điều chế dạng sin [ic]abc kết hợp với mạch tạo xung đóng



ngắt (hình 3.24). Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (SPWM) trong các bộ nghịch lưu nguồn dòng. Ta có thể thấy là một số dạng sóng ở hình 3.25 thì giống với các dạng sóng đã đạt được trong các bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng kỹ thuật SPWM (hình 3.24). Cụ thể là:

+ Điện áp dây của tải (hình 3.14d) trong VSI thì giống với dòng điện dây của tải (hình 3.25d) trong CSI.

+ Dòng điện liên kết một chiều (dc link current) (hình 3.14g) trong VSI thì giống với điện áp liên kết một chiều (hình 3.25g) trong CSI.

Hình 3.24 Các dạng sóng lý tưởng của bộ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha ứng với kỹ thuật điều chế SPWM (ma=0.8, mf = 9): (a) tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều chế; (b) trạng thái của công tắc S1; (c) trạng thái của công tắc S3; (d) dòng điện ngõ ra xoay chiều; (e) phổ của (d); (f) điện áp ngõ ra xoay chiều; (g) điện áp một chiều; (h) phổ của điện áp một chiều; (i) dòng qua công tắc S1; (j) áp qua công tắc S1.

Điều này đưa ra tính đối ngẫu giữa hai phương thức khi ta sử dụng các phương pháp điều chế tương tự nhau. Vì vậy, ứng với các giá trị lẻ là bội của 3 của tần số sóng mang cơ bản mf, các hài trong dòng điện ngõ ra xoay chiều xuất hiện tại các tần số fh và quanh các mf và các bội số của nó, cụ thể là:



(3.50)Với l= 1, 3, 5, … ứng với k= 2, 4, 6, … và l= 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … như vậy h

không phải là một bội số của 3. Vì vậy, các hài sẽ tại mf ± 2, mf ± 4, … , 2mf ± 1, 2mf ± 5, … , 3mf ± 2, 3mf ± 4, … , 4mf ± 1, 4mf ± 5, …. Với các điện áp tải dạng gần như sin, các hài trong điện áp liên kết một chiều tại các tần số được cho bởi:

(3.51)Với l= 0, 2, 4, … ứng với k= 1, 5, 7, … và l= 1, 3, 5, … ứng với l= 0, 2, 4, … như vậy

h= l*mf ±k là dương và không là bội của 3. Ví dụ, hình 4.25h cho ta thấy hài thứ 6 (h=6) h = 1 * 9 - 2 - 1 = 6.

Kết luận tương tự có thể được đưa ra với các giá trị nhỏ hơn và lớn hơn của mf với cùng phương pháp như VSI. Vì vậy, biên độ tối đa của dòng điện dây ngõ ra xoay chiều cơ

bản là oa1= ii/2 vì vậy ta có thể viết:

(3.52)Để tăng thêm biên độ của dòng tải, ta có thể sử dụng phương pháp quá điều chế

(overmodulation). Trong vùng này, ngưỡng của các dòng điện dây cơ bản là

(3.53)IV. Biến tần đa bậc

1.Giới thiệu về biến tần đa bậcHiện nay một vấn đề lớn đặc ra ở các nhà máy công nghiệp là việc sử dụng các hệ

thống công suất rất lớn mà nếu sử dụng biến tần đơn bậc thì không thể đáp ứng nổi, biến tần đa bậc đã và đang phát triển ở các nước tiên tiến, tại Việt Nam thì biến tần đa bậc cũng có một chuyên gia đang nghiên cứu, nhưng nhìn chung thì nó khá mới mẻ và đòi hỏi phải có hiểu biết sâu rộng mới có thể nghiên cứu về nó. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu về cách thức cấu tạo, phương thức điều khiển của biến tần đa bậc.

1.1 .Khái niệm.Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung và

tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng hiệu quả cao nhưng biến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:

Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa thật sự gần sin. Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao. Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao. Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)… Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta mới phát minh ra biến tần đa bậc nhằm

phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người.



Hình 1.0 Mô hình biến tần đa bậc động cơ không đồng bộTrong các đồ thị dưới đây nói về ưu điểm biến tần bậc cao so với biến tần bậc thấp

hơn.

Hình 1.2 Đồ thị miêu tả ưu điểm của biến tần đa bậc.

Tại sao khi đa bậc thì THD giảm, Lf giảm và công suất truyền tăng, cũng như công suất tổn hao thấp. Tại vì khi số bậc biến tần càng cao thì dạng sóng điện áp ngõ ra gần sin hơn, nên bộ lọc lọc ít hơn, tổn hao do cảm kháng bộ lọc sinh ra thấp hơn, khi sóng ra gần sin hơn thì công suất truyền qua cũng cao hơn, cản phá ít hơn. Ta có công thức tính tổng độ méo dạng do hài có công thức sau:.



Ta thấy từ công thức này thì càng nâng số bậc lên thì THD càng tăng. Biến tần đa bậc có những ưu điểm vượt trội như trên, biến tần đa bậc đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.

Khái niệm biến tần đa bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu pha tải (điểm a,b,c với điểm 0) của nguồn một nhiều thay đổi giữa hai hay nhiều bậc khác nhau gọi là biến tần đa bậc. Ví dụ như nếu là biến tần hai bậc thì giá trị điện áp này thay đổi giữa hai bậc là +Udc/2 và –Udc/2… . Do sự thay đổi điện áp giữa các bậc dẫn tới dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common-mode rất quan trọng. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc, do tính phổ dụng của nó mà có thể gọi là biến tần đa bậc( Multi-level Inverter)

1.2. Neutural point clamped inverter NPCTrên sơ đồ là bộ nghịch lưu ba bậc, điện áp trên mỗi tụ bằng ½ điện áp trên nguồn DC.

Mỗi điểm pha a, b, c có thể nối với các điểm 0, n, p theo các sơ đồ đóng ngắt khác nhau của khóa bán dẫn.

Các mức điện áp pha a có thể đạt được như sau:

Vout S1 S2 S3 S4

+Vdc/2 1 1 0 0

0 0 1 1 0

-Vdc/2 0 0 0 1

Theo tính toán các giá trị điện áp đặt trên các điốt bên trong sẽ cao hơn các điốt khác, nhất là với mô hình NPC bậc cao hơn, điều này thật là một nhược điểm cùa mô hình NPC.



Hình 1.5b Mô hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc, 5 bậc hay n bậc.Do mất đối xứng trong thời gian nạp xả tụ mà điện áp tụ trở nên mất cân bằng.1.2.1 Ưu điểm chính của mô hình là Giảm thành phần sóng hài Giảm dV/dt ( bằng một nửa so với bộ nghịch lưu hai bậc)1.2.2 Nhược điểm Mức độ chịu đựng điện áp trên các điốt là khác nhau. Điều khiển PWM phức tạp hơn bậc hai. Cần nhiều điốt kẹp. Vấn đề cần bằng áp tụ DC-links là khá phức tạp.

2. Cấu trúc biến tần đa bậc ( bộ nghịch lưu đa bậc)Hiện nay có một số loại nghịch lưu như sau:1. Nghịch lưu dạng điốt kẹp ( Neutural Point Clamped Multilevel Inverter NPC). 2. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade( Cascade Multilevel Inverter). 3. Nghịch lưu đa bậc dạng Flying Capacitor. 4. Một số tổ hợp các loại trên. Để đơn giản và dễ hiểu khi ví dụ chúng ta sẽ chỉ lấy ví dụ về biến tần ba bậc (bộ

nghịch lưu ba bậc) hoặc 5 bậc (bộ nghịch lưu năm bậc).2.1 Cascade Multilevel Inverter



Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dạng Cascade xuất hiện lần đầu vào năm 1975, sử dụng nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha mắc nối tiếp.

Sử dụng quy tắc kích đối nghịch cho từng cặp S1-S4 và S2-S3. Mỗi một bộ nghịch lưu áp cầu một pha tạo ra điện áp đầu ra ba mức –U, 0, U. Với sự kết hợp n bộ nghịch lưu cầu 1 pha trên nhánh tải tạo nên điện áp đầu ra có:

1. n mức điện áp dương (U, 2U,…, nU). 2. n mức điện áp âm (-U, -2U,…, -nU). 3. 1 mức điện áp 0. Ví dụ bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade với hai bộ nghịch lưu cầu 1 pha mắc nối tiếp

trên mỗi pha. Như trên hình, ta thấy điện áp giữa điểm pha a với điểm 0 có 5 bậc. Để cho dễ hiểu, ta xem các khóa bán dẫn như các công tắc cơ khí. Dễ dàng nhận thấy ở mỗi nhánh pha trong biến tần cascade được tạo thành từ việc ghép nối các cầu H ( H-bidge) nối tiếp nhau và cứ bao nhiêu nhánh pha thì ghép song song bấy nhiêu dãy, minh họa như hình sau:

Từ lí luận này ta dễ dàng chuyển đổi mô hình 2.3 hay một bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade thành mô hình 1.4 đơn giản hơn như hình dưới:



Hình 1.4 Mô hình đơn giản hóa bộ nghịch lưu đa bậc dạng Cascade2.1.1 Ưu điểm Dễ dàng thiết kế thành các môđun lắp ráp dễ dàng tăng số bậc lên. Mỗi mođun gồm 1 nguồn DC, một tụ lọc và một mạch cầu 1 pha H-bridge Đối với hệ thống cung cấp AC, các điốt chỉnh lưu đóng vai trò là mạch cầu đa xung

làm giảm méo dòng điện cho nguồn cung cấp.Dạng sóng đầu ra có thành phần hài rất thấp mặc cho tần số đóng cắt khóa là thấp. Do

vậy dạng này được sử dụng rộng rãi và thông dụng nhất. Tuy nhiên nó cần nhiều nguồn một chiều.

2.1.2 Nhược điểm Nhược điểm chính của hệ thống là khi không sử dụng nguồn DC độc lập mà sử dụng

các máy biến thế.Ví dụ như một bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade sẽ dẫn tới một máy biến áp 1 đầu vào và 2 đầu ra, tổng cộng ba pha sẽ là 6 đầu ra ( secomdaries). Như vậy sẽ tăng kích thước và giá thành lên rất nhiều và tổn hao máy biến áp là lớn.

2.2. Capacitor Clamped Multilevel Inverter

Với sơ đồ ba bậc các mức điện áp đạt được như sau:VAN = Vdc/2 khi S1 = S2 = 1VAN = 0 khi S2= S3 = 1VAN = -Vdc/2 khi S3 = S4 = 1Tụ C nạp điện khi cặp S1, S4 được bậc và xả điện khi S2 = S3 =1. Quá trình nạp xả

được cân bằng khi có sự chọn lựa hợp lí các tổ hợp trạng thái các mức điện áp 0. Sự phân tích ở các bậc cao hơn là khá phức tạp.

2.2.1 Ưu điểm của mô hình này là Sắp xếp đơn giản, kết cấu thành từng khối.



Cân bằng áp tụ dễ dang hơn 2.2.2 Nhược điểm Có số lựợng tụ lớn Giải thuật PWM khá phức tap2.3. Cấu trúc phối hợp

Giản đồ vector và dạng sóng dòng áp Hình 1.5d Hình miêu tả mô hình cấu phúc phối hợp

Mô hình cấu trúc biến tần phối hợp giữa Cascade và NPC, cụ thể là kết hợp giữa NPC ba bậc và kết nối Cascade giữa các cầu H năm bậc. Thông qua việc kết nối ta dễ dàng nâng cao số bậc.Tuy nhiên nó lại rất khó khăn trong tính toán và thiết kế, nên thường ít được áp dụng trong thực tế.

3. So sánh về các dạng nghịch lưu đa bậc.Tuy mỗi loại nghịch lưu đều có nhưng ưu nhược điểm riêng, nhưng phổ biến nhất vẫn

là hai dạng NPC và Cascade. Vì nếu như nhược điểm của mô hình phối hợp NPC và Cascade là phức tạp trong phương thức điều khiển thì phương thức dùng tụ điện thay đổi



lại khó thực hiện vì điện áp mỗi tụ được nạp xả khác nhau khi bậc làm việc với số bậc lớn, gây ra sự mất cân bằng áp tụ.

3.1 Phương pháp Sin PWM (Ứng dụng ở tần số khá cao f < 9500Hz)Phương pháp này sử dụng sóng điều chế dạng Sin để so sánh với các sóng mang dạng

tam giác tạo giản đồ kích đóng cho các linh kiện. Với bộ nghịch lưu m bậc sẽ sử dụng m -1 sóng mang cùng tần số fc, cùng biên độ Ac, sóng điều chế có biên độ Am, tần số fm.

Sử dụng sóng mang tần số cao sẽ làm cho các sóng hài tập trung xung quanh ở các tần số cao f = k.fc. Tuy nhiên sẽ phát sinh tổn hao do đóng ngắt tần số cao của linh kiện.

Sóng điều chế Urx ( x= a,b,c) mang theo thông tin về biên độ và tần số của hài cơ bản đầu ra.

Các dạng sóng mang thường dùng: APOD: Hai sóng mang bề cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch đđi 180 độ. POD: Bố trí xung quanh trục, các sóng mang nằm trên trục sẽ cùng pha, ngược lại

các sóng mang nằm dưới trực sẽ bị dịch đi 180 độ. PD: Bố trí cùng pha. Trong các phương pháp bố trí sóng mang, dạng PD cho THD đạt được là nhỏ nhất.

Đối với bộ nghich lưu ba bậc, APOD và POD cho cùng kết quả dạng sóng mang.

Với các cách bố trí linh kiện như vậy, các linh kiện đđược đảm bảo theo quy tắc kích đđối nghịch. Sự so sánh giữa sóng đđiều chế Ura và Ucar1 tạo ra giản đđồ đóng ngắt cho S1, S3 với Vcar2 cho ra giản đđồ đđóng ngắt cho S2, S4 như sau:

Ura > Vcar1 S1 = 1 S3 = 0Ura < Vcar1 S1 = 0 S3 = 1Ura > Vcar2 S2 = 1 S4 = 0Urs < Vcar2 S2 = 0 S4 = 1Từ giản đồ đóng cắt ta rút ra điện áp pha tâm nguồn DC như sau:

Chỉ số điều chế:m = Usa.√3/U Chỉ số biên độ ma = Am/Ac Chỉ số tần số : mf = fm/fc So sánh THD với dạng sóng mang APOD có THD =0.668 ta thấy dạng sóng PD cho

độ méo dạng áp dây tải là nhỏ nhất. Tuy nhiên dạng sóng mang APOD lại cho kết quả điện áp Common mode nhỏ nhất

Nhược điểm của phương pháp điều chế SinPWM là khả năng điều chế tuyến tính chỉ đạt đến khi ma = 1. Do đó biên độ áp tải cơ bản chỉ đạt đếnVdc/2. Để mở rộng giá trị này,



một số phương pháp sóng mang với tín hiệu điều chế được biến đổi để tăng khả năng điều chế tuyến tính lên. Đó là các phương pháp điều chế độ rộng xung cải biên (Modified SinPWM)

3.2. Switching frequency optimal PWM method( SFO PWM)Với đặc điểm của phương pháp sóng mang là dễ điều khiển và thực hiện,

do vậy thực hiện cải tiến phương pháp sóng mang để nâng cao chất lượng điềukhiển là giải pháp tốt. Đó là việc cộng thêm một hàm Offset vào sóng điều chếdạng Sin để đạt được một chỉ tiêu về chất lượng.

Đối với phương pháp SFO PWM, sóng Offset là tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba). Cách tạo Voffset như sau:

Voffset = (Max(Vsa,Vsb,Vsc) + Min(Vsa,Vsb,Vsc))/2.Ura = Vsa – Voffset.Urb = Vsb – Voffset. Urc = Vsc – Voffset. Với Vsx (x=a,b,c) là tín hiệu điều chế sin.

Hình 1.8a Tín hiệu Voffset

Hình 1.8bTín hiệu điều chế pha a Ura với biên độ =0.693



Hình 1.8c Tín hiệu điều chê SinVới những đặc tính của phương pháp sóng mang là đề điểu khiển và thực hiện so vậy

thực hiện cải tiến phương pháp sóng mang để nâng cao chất lượng điều khiển là giải pháp tốt. Đó là việc cộng thêm một hàm Offset vào sóng điều chế dạng Sin để đạt được một tiêu chí về chất lượng. Có một phương pháp khắc phục được điều này với khả năng điều khiển linh hoạt hơn, mềm dẻo hơn. Đó là phương pháp vectơ không gian.

3.3. Phương pháp vector không gianPhương pháp điều chế vector không gian là phương thức thay thế 3 vector điện áp 3

pha thành một vector duy nhất quay trong không gian. Như vậy thay vì phải tính toán trên 3 pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục hai pha tính theo độ lớn và góc pha của đại lượng này. Điều này sẽ làm phép tính đơn giản đi rất nhiều. Minh họa trên hình 2.9.

Các phép chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ trên hình 2.9 có thể diễn tả như sau. Để

biểu diễn vector điện áp trong hệ trục ba pha (tương tự như 3 pha stator trong động cơ KĐB), người ta có thể tính theo 3 thành phần trên 3 trục ua, ub, uc. Nhưng do phép tính

dạng này khá phức tạp nên có thể biểu diễn vector theo các dạng hệ trục tọa độ khác ví dụ như hệ trục tọa độ d-q quay cùng vận tốc với hệ trục 3 pha (tương tự như vector từ thông của từ trường quay 3 pha trong động cơ KĐB). Do các thành phần vector đều quay cùng một vận tốc của từ trường quay stator s nên có thể chuyển đổi chúng tính trên một hệ trục tọa độ tĩnh ((tương tự như động cơ KĐB xoay chiều 2 pha anpha và peta , với anpha và peta là các đại lượng hình sin). Như vậy nhờ vào sự chuyển đổi qua lại giữa các hệ trục tọa độ, ta có thể tính được vector không gian theo nhiều cách.

Việc chọn lựa hệ tọa độ được thực hiện sao cho việc tính toán quá trình được dễ dàng. Cụ thể khi tính toán với bộ VSI, ta nên chọ hệ trục tọa độ tĩnh (-); khi tính toán cho hệ truyền động biến tần - động cơ điều khiển theo hệ trục quay

3.4 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc



Quá trình đóng cắt các khoá bán dẫn tạo nên 27 trạng thái khác nhau trên lục giác, mỗi trạng thái được minh hoạ bởi tổ hợp (ka, kb, kc), với các giá trị ka = 0, 1, 2; kb = 0, 1, 2; kc = 0, 1, 2; là hệ số trạng thái tương ứng của các pha a, b, c. Ví dụ xét hệ số ka của pha a ta có:

(2.15)Trong quá trình kích dẫn qui luật sau đây phải được tuân thủ:

(2.16)Với: x = a, b, cTừ đó, ta có thể hiểu trạng thái (200) có nghĩa là:

Hình 2.10: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậcNhư vậy như định nghĩa về vector không gian đã nói ở phần trước trong mục này,

tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu được 19 vị trí của vector không gian của điện áp tạo thành bao gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn bao ngoài, 6 vector nằm trên 6 đỉnh của hình lục giác bên trong và 3 vector không gian nằm tại tâm của hình lục giác (Hình 2.10). Đối với các vector nằm tại đỉnh của hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của các linh kiện nhưng lại có cùng chung một vị trí vector không gian. Ngoài ra còn tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vị trí vector không. Do đó từ biến tần ba bậc trở lên, bắt đầu xuất hiện các vector redundant.

Khái niệm vector redundant có ý nghĩa rất quan trọng trong việc điều chế, các vector dư thừa này không phải là không thật sự cần thiết cho các hoạt động điều khiển của mạch. Nó có một ý nghĩa quan trọng trong việc chuyển trạng thái

Có nghĩa là có một số trạng thái chuyển mạch sẽ bị dư thừa khi tạo nên cùng một trạng thái điện áp ngõ ra, do đó khi thay đổi trạng thái chuyển mạch được chọn bằng những vector đạng ở trạng thái dư thừa này thì sự chuyển mạch trong biến tần đa bậc không thể chỉ có một cách thức duy nhất mà thật ra là rất nhiều. Nếu tận dụng tốt các vector này, có thể tạo ra được một số phương thức điều chế mới đơn giản và hiệu quả hơn phương thức SVPWM truyền thống vừa nên trên. Qua nhiều nghiên cứu gần đây, có thể thấy rằng một



số lượng lớn các vector redundant có một ý nghĩa rất quan trọng cho biến tần đa bậc. Bằng cách sử dụng nó một cách thích đáng, có thể đặt được sự cải thiện rất lớn về các mặt như:

- Cân bằng được điện thế trên các tụ điện.- Chia nhỏ dòng cảm ứng.- Điều khiển dễ dàng hơn dòng nguồn DC cung cấp.- Giảm tần số đóng cắt trên các khóa bán dẫn.Ngoài các yếu tố vừa nên bên trên, một yếu tố không kém phần quan trọng đó là khi

lựa chọn được các trạng thái redundant (Redundant State Selection - RSS) sẽ ảnh hưởng đến điện áp C.M (do RSS tăng – giảm điện áp trên tất cả các pha).

Qua giản đồ RSS cho từng pha, dễ dàng nhận thấy các vector không gian điện áp không chỉ được thực thi từ một tổ hợp các trạng thái đóng cắt mà là một tập hợp số lượng các trạng thái redundant.

Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian với bộ biến tần đa bậc được thực hiện tương tự như ở hai bậc. Để tạo ra vector trung bình tương đương cho một vector

cho trước, trước hết hãy xem vector nằm ở vị trí nào trong hình lục giác. Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác được chia nhỏ thành các hình lục giác con. Ví dụ

góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác được giới hạn bởi ba vector , và được

chia nhỏ thành các diện tích như hình 2.11. Vector đang được điều khiển cần đạt được các giá trị sao cho vị trí của nó nằm ở phần diện tích k.

Bước kế tiếp ta xác định các vector không gian cần thiết – còn gọi là các vector cơ bản, các vector này cần thiết để tạo nên vector trung bình nằm trong diện tích k. Nhìn vào

hình ta thấy đó chính là các vector , và . Như vậy vector tương đương vector có

thể được biểu diễn duy trì các tác động quay theo trình tự trong khoảng thời gian T1,

trong khoảng thời gian T2, trong khoảng thời gian T3 theo hệ thức sau:

(a) (b)

Hình 2.11: Vị trí vector ở phần diện tích k của giản đồ vector

(2.17)Với TS = T1 + T2 + T3 là chu kỳ lấy mẫu.

Hình 2.12: Vector được trình bày trong hệ trục toạ độ tĩnh



Vấn đề còn lại là xác định các thời gian tác dụng T1, T2, T3 của các vector cơ bản.

Nếu ta biết được vector dưới dạng các thành phần vuông góc U và U trong hệ tọa độ tĩnh, minh hoạ trên hình 2.12, quan hệ giữa các thành phần vector u và u với thời gian duy

trì trạng thái vector , và có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:

(2.18)

Với V1, V2, V3, V1, V2, V3 là các thành phần theo hệ trục toạ độ – của các vector ,

và trên lục giác. Từ đó thời gian có thể xác định theo ma trận ngược:

(2.19)

Hay thường viết dưới dạng các giá trị tương đối (bỏ qua các đơn vị, giúp dễ dàng hơn khi biểu diễn): dj = Tj/Ts ; j = 1, 2, 3:

(2.20)Áp dụng cụ thể vào bốn diện tích hình tam giác trong góc phần sáu thứ nhất của hình

lục giác (, , , ), chú ý đến vector cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu được kết quả sau� � � � (xem Hình 2.11):

Trong diện tích , vector cơ bản � , và :

(2.21)


(2.22)


(2.23)




(2.24)Nếu vector nằm ở phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác tính từ

vị trí trục thực , ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để xác định thời gian tác động của các vector cơ bản được xác định theo hệ thức:

với: i = 1, 2, …, 6 (2.25)

với: i = 1, 2, …, 6 (2.25)Từ giản đồ vector và các công thức vừa nêu, thành lập giản đồ kích dẫn các linh kiện

cho bộ nghịch lưu áp ba bậc minh hoạ trên Hình 2.13, áp dụng cho góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác trong một chu kỳ lấy mẫu. Chú ý do trạng thái kích dẫn các linh kiện trên cùng nhánh pha tải cho bởi qui luật đối nghịch nên giản đồ chỉ cần trình bày trạng thái của S1x và S2x, với x = a, b, c. Từ giản đồ ta thấy các trạng thái kích dẫn tương ứng cho ba

vector cơ bản , và . Trên hình 2.13, ta thấy S1c luôn ở trạng thái ngắt do sóng

mang Sp1 không giao với sóng điều chế . Thời gian kích dẫn các vector này có thể suy ra từ biểu thức tính toán T1, T2, T3 ở trên hoặc trên kỹ thuật điều chế bề rộng xung dựa vào sóng mang (CBPWM) như trên Hình 2.16. Như vậy dựa vào giản đồ kích dẫn các linh kiện, ngoài giá trị modul và góc pha đã biết trong đồ thị vector quay ta còn biết được trạng thái đó sẽ phải duy trì trong thời gian bao lâu (thời gian đóng ngắt các tiếp điểm).



Hình 2.13: Giản đồ kích dẫn linh kiện trong nghịch lưu áp 3 bậcNhững kỹ thuật vừa nêu có thể dễ dàng ứng dụng sang các bộ nghịch lưu áp đa bậc, cụ

thể khi áp dụng các công thức vừa nêu bên trên, ta có giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc.

3.5. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậcVới bộ nghịch lưu năm bậc, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 125 trạng

thái khác nhau. Ta xét mỗi trạng thái minh hoạ bởi tổ hợp (ka kb kc), với:

(2.26)Các hệ số trạng thái ka, kb, kc phụ thuộc vào cách quy ước trước. Ta tiến hành quy

ước như sau: (sự quy ước này dựa vào bảng trạng thái đóng ngắt)



Hình 2.14: Giản đồ vector điện áp Bộ nghịch lưu năm bậc

2.27)

Trong quá trình kích, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải tuân thủ:

; (2.28)Với x = a, b, c.Theo định nghĩa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu

được 61 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành. Tại tâm của lục giác có năm trạng thái khác nhau cho cùng vị trí tại đó là vector không. Các vị trí còn lại ứng với các trạng thái được biểu diễn trong giản đồ vector hình 2.14



V. Ứng dụng biến tần đa bậc1. Giới thiệu

Ngày nay, trong lĩnh vực truyền động điện, vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đôi khi là một yếu tố mang tính sống còn. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số của mạch như: điện trở phụ, từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp cơ khí, tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.

Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điện, tức là biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Ở đây, ta chỉ xem xét việc điều chỉnh tốc độ dùng các biến tần theo phương pháp điện.

Các bộ biến tần với chức năng và lợi thế của chúng đã được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ truyền động. Trong đó, một phần đáng kể các biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ điện.

Chức năng chính của bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ, và 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 … do đó, chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất được ứng dụng trong trường hợp này.

Để điều khiển được tốc độ của động cơ trong các hệ thống truyền động điện, ta phải nắm được đặc điểm của các loại động cơ điện và đặc tính cơ của nó từ đó, ta mới có hướng sử dụng các loại biến tần một cách phù hợp và hiệu quả nhất. Ở đây ta chỉ chú trọng đến loại động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha và đặc tính cơ của nó.

2. Đặc tính cơ của các động cơ điện2.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (song song)Truyền động điện một chiều sử dụng các động cơ điện một chiều được dùng cho các

máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, và nó có chất lượng điều chỉnh tốt. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, và nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế.

Đặc tính cơ Phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập:

Trong đó:- M: mômen quay: M = K. φ.Iư- Uư : điện áp phần ứng động cơ, (V)- Rư : điện trở cuộn dây phần ứng (Rư = rư + rct + rcb + rcp )- Rp : điện trở phụ mạch phần ứng.- Iư : dòng điện phần ứng động cơ.

K = là hệ số kết cấu của động cơ.p - Số đôi cực từ chính.N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng.φ - Từ thông qua mỗi cực từ.



Phương trình đặc tính cơ có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ

Tốc độ ωo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0.

Hình 1.1: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lậpKhi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ωo

đến ωđm. Điểm A(Mđm, ωđm) gọi là điểm định mức. Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình đặc tính cơ:

Hình 1.2 : Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lậpMômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị

mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện Inm này lớn và thường bằng

Inm = (10 ÷ 20)IđmNó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài2.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếpĐặc tính cơ. Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung ta có:Uư = Eư + (Rư + Rưf).IưEư = K.φ. ω

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:



Hình 1.3 Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đường hyperbol.

Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa (φ = const).

Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ thì trị số φ sẽ vô cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (φ d− ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư φ dư nhỏ nên ωo cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức (5-6) ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát... Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10÷20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải.

2.3. Động cơ điện ba pha xoay chiều không đồng bộ (KĐB) Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ.

Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động một chiều.

Đặc tính cơ. Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3

pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì ta có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rôto đã quy đổi về stator.

Hình 1.4 : Sơ đồ thay thế một pha động cơ KĐB



Khi cuộn dây stator được cấp điện với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà giữ yên rotor (không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện một sức điện động E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là:

Các đại lượng điện ở mạch rotor có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau:- Dòng điện: I'2 = kI I2- Điện kháng: X'2 = kX X2- Điện trở: R'2 = kR R2Trên sơ đồ thay thế ở hình trên, các đại lượng khác là:I0 - Dòng điện từ hóa của động cơ.Rm, Xm - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa.I1 - Dòng điện cuộn dây stator.R1, X1 - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator.Dòng điện rotor quy đổi về stator có thể tính từ sơ đồ thay thế:

Ta có:

: Công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha.Thay vào phương trình tính mômen ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện

xoay chiều 3 pha không đồng bộ.

Trong đó:Xnm = X1 + X'2 là điện kháng ngắn mạch.Với những giá trị khác nhau của s (0≤ s ≤1), phương trình đặc tính cơ cho ta những giá

trị tương ứng của M. Đường biểu diễn M = f(s) trên hệ trục tọa độ sOM như hình dưới.Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

Giải phương trình ta có:

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:



Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0≤ s ≤1 nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ chỉ

ứng với dấu (+).

Hình 1.5 : Đặc tính cơ của động cơ KĐB.Đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K.Đoạn đặc tính AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này, mômen động cơ tăng thì tốc độ

động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định.Đoạn KB cong với độ dốc dương. Trên đoạn này, động cơ làm việc không ổn định.

3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha KĐB sử dụng biến tần. Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng vì có

kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành, nguồn điện sẵn (lưới điện xoay chiều). Tuy nhiên, trong các hệ cần điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng thì động cơ xoay chiều được sử dụng ít hơn động cơ một chiều vì còn gặp nhiều khó khăn. Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, bán dẫn, việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ đã có nhiều khả năng tốt hơn.

3. 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto.Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ rotor dây quấn và được ứng dụng rất

rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng như hình 1.6.

Hình 1.6 : Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ trong rotor.

Nhận xét:



- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm.- Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự

lên xuống của mômen tải.- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải. Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng

hẹp.- Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi

điều chỉnh càng lớn.- Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn

nên thường được điều chỉnh theo cấp.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato.Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số. Điện áp cấp cho động

cơ lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều. BBĐ điện áp có thể là một máy biến áp tự ngẫu hoặc một BBĐ điện áp bán dẫn như được trình bày ở mục trước. Hình sau trình bày sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm.

Hình 1.7 : Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator.

Nhận xét:- Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theo

mômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp.- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên

phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ ở mạch rotor để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh

- Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi.

3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều.Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay

đổi được đặc tính cơ. Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn. Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các thông số liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó, dòng điện, từ thông,... của động cơ đều bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, mômen tới hạn cũng bị thay đổi. Chính vì vậy, điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số thường kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức, cảm kháng của động cơ cũng giảm và dòng điện động cơ tăng lên.

Tần số giảm, dòng điện càng lớn, mômen tới hạn càng lớn. Để tránh cho động cơ bị quá dòng, phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao cho U/f =const. Đó là luật điều chỉnh tần số - điện áp khi f < fđm). Khi f > fđm ta không thể tăng điện áp U > Uđm nên các đặc



tính cơ không giữ được giá trị mômen tới hạn. Người ta cũng thường dùng cả luật điều chỉnh tần số - dòng điện.

3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ.Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp. Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độ đồng bộ thay đổi

theo số đôi cực. Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được cách nối tương ứng với các số đôi cực khác nhau. Các đầu dây để đổi nối được đưa ra các hộp đấu dây ở vỏ động cơ. Số đôi cực của cuộn dây rotor cũng phải thay đổi như cuộn dây stator. Điều này khó thực hiện được đối với động cơ rotor dây quấn, còn đối với rotor lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực ứng với stator. Do vậy, phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho động cơ rotor lồng sóc. Các động cơ chế tạo sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực đều có rotor lồng sóc. Tỷ lệ chuyển đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1, 4:1 hay tới 8:1.VI. Giới thiệu biến tần ACS 150

1. Nguồn cung cấp– Một pha: 200 v – 240v (+-10%)– Tần số : 48 – 63 Hz– Hệ số công suất : 0.98

2.Cấu trúc tổng quan của biến tần ABB



STT Ghi chú3 Bảng điều khiển tichd hợp trên mặt máy gồm : bàn

phím + màn hinh hiển thị4 Nút thay đổi tần số : SPEED5 Cổng kết nối truyền thông8 Ngõ in/out9 Kết nối nguồn cung cấp , kết nối với motor10-11-12 Giá đỡ dây nối ngõ vào in/out

3.Chi tiết về sơ đồ kết nối in/ out của biến tần ABB ACS 150



4.Cách kết nối nên tránh ở ngõ ra của biến tần



5.Sơ đồ kết nối IN/OUT

S1 : chọn tín hiệu analog điều khiển là dòng hay áp– Dòng từ 0(4) -> 20 mA– Áp từ 0(2) -> 10V

Chức năng của các ngõ vào DI sẽ được cài đặt , ở mỗi cách cài đặt khác nhau thì cách

kết nối sẽ khác nhau .Bên cạnh đó DI5 còn có thể cài đặt để nhận tần số từ bên ngoài vào6.Chức năng từng phím trên mặt máy



Thứ tự Chức năng1 Màn hình hiển thị LCD chia thành 5 vùng

Phía trên bên trái – Chọn cách thức điều khiểnLOC : Điều khiển từ bàn phímREM : Điều khiển từ bên ngoàib .Phía trê bên phải : Đơn vị của giá trị hiển thịc. Ở giửa trung tâm màn hình : Hiển thị thông tin chung , tham số

hiển thị , giá tri tín hiệu Menu hoặc bảng danh sách .Ngoài ra còn hiển thị những lỗi cảnh báo nếu có.

d.Phía dưới bên trái :Hiển thị trạng thái hoạt độnge.Phía dưới bên phải : FRW/REVSET : Cài đặt tham số hoặc giá trị

2 RESET/EXIT : Thoats ra khỏi MENU , hoặc lúc cái đặt tham số mà không cần lưu , hoăc reset khi bi lổi hay có cảnh báo

3 MENU/ENTER : cho hiển thị menu . lưu khi cài đặt giá trị , hiển thị giá trị cài đặt mới

4 UP: chọn các mục trong MENU hoặc LISTChọn giá trị nhanh hơn

5 DOWNọn các mục trong MENU hoặc LISTChọn giá trị nhanh hơn

6 LOC/REM : chọn phương thức điều khiển7 DIR : thay đổi chiều quay của động cơ8 STOP : Dừng quay động cơ khi điều khiển ở chế độ LOC9 STAST : Cho quay động cơ khi điều khiển ở chế độ LOC10 Potentiometer : Thay đổi tần số khi điều khiển ở chế độ LOC

7 .MENU chính

Dùng các phím , , , để chọn các chọ càn cài đặt trong MENU



8.Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER MODE “



Cách cài đặt và lưu giá trị tham số thực hiện giống các bước ở trên:1105 Cài đặt giá trị lớn nhất từ tần số bên ngoài REF11202,1203,1204 Cài đặt tốc độ ( điều khiển tần số ngõ ra) 1,2,31301 Cài đặt phần trăm nhỏ nhất tín hiệu analog vào2008 Cài đặt giá trị lớn nhất điều khiển tần số ngõ ra2102 Chọn chức năng dừng của motor2202 Chọn thời gian tăng tốc để đạt giá trị mong muốn2203 Thời gian giảm tốc để dùng động cơ

Điều khiển motor Bằng tay : nhấn phím LOC/REM , khi màn hình hiển thị LOC - Nhấn RUN motor chạy , stop dừng- Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách vặn nút SPEED (hình bên)- Thay đổi chiều động cơ bằng cách nhấn nút FW/RS Điều khiển bằng REMOTE CONTROL- Nhấn phím LOC/REM , khi màn hình hiển thị REM- Một số cài đặt :

Dòng AI điều khiển từ bên ngoài nối vào chân AI

DI 1 = ON Dừng Động cơ

9. Cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ LONG PARAMETER MODE “ : Các thao tác gần giống cách cài đặt và hoạt động của chế độ “ SHORT PARAMETER

MODE “10.Một số sơ đồ kết nối dây IN/ OUT ABB khuyên dùng (macro)

10.1. ABB Standard macroCách kết nối:



Macro này dùng để điều khiển động cơ ở một tốc độ xác địnhDI3 DI4 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202)0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203)1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204)

DI5 =0 : cài đặt thời gian ở các lệnh 2202 và 2203=1 : cài đặt thời gian ở các lệnh 2205 và 2206

10.2. 3 wire macro

Macro này gần giông macro ABB Standard macro chỉ kác ở chổ DI1, DI2 tích cực khi có xung cạnh lên hay xuống của tín hiệu

DI4 DI5 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG



0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202)0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203)1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204)

10.3.Alternate Macro

DI3 DI4 TỐC ĐỘ HOẠT ĐỘNG0 0 Tốc độ được cài đặt tư mặt máy potentiometer1 0 Tốc độ 1 ( lệnh 1202)0 1 Tốc độ 2 ( lệnh 1203)1 1 Tốc độ 3 (lệnh 1204)

10.4. Motor potentiometer macro



(1) Nếu DI3 và DI4 điều hoạt động hoặc không hoạt động thì tần sô chuẩn sẻ không thay đổi.

11. Tín hiệu điều khiển kết nối từ bên ngoài– Analog signal:– Voltage signal : 0(2) – 10v ,Rin > 312 kohm– Current Signal : 0(4) – 20 mA , Rin = 100ohm

Sơ đồ kết nối khi ngõ vào là tín hiệu Dòng:

Sơ đồ kết nối khi tín hiệu vào là áp

– Digital Signal:Có 5 ngõ vào số từ DI1 – DI5



Tùy vào cài đặt của máy mà mỗi ngõ vào số sẽ co chức năng tương ứng12. Điều khiển

12.1 . Điều khiển bằng tay với sự hổ trợ màn hình và bàn phímNhấn vào nút LOC trên mặt máy màn hình hiển thị LOC ở bên phải : tức chọn chế độ

điều khiển bằng tay– Volum Speed để tăng giảm tần số chọn– Nhấn nút Start : Động cơ bắt đầu chạy – Nhấn nút stop : Động cơ dừng

Muốn thay đổi tốc độ động cơ ta vặn họn volum SPEDD , tần sốs hiển thị trên màn hình thay đổi -> tố độ động cơ thay đổi

12.2. Điều khiển bằng các thiết bị ngoại vi bên ngoài: ( WIN CC + PLC + MODUL EM 235 )Nhấn vào nút LOC trên mặt máy màn hình hiển thị REM ở bên phải : tức chọn chế

độ điều khiển từ thiệt bị bên ngoàiCài đặt :Tùy vào cách cài đặt cách nố dây ddể điều khiển từ bên ngoài khác nhauKểt nối sơ đò dây như sau:

VII. EM235EM 235 là modul analog hổ trợ PLC ( cụ thể ở đây là cpu 224 SIEMEN) trong việc

xuất tín hiệu tương tự ra bên ngoài để điều khiển thiết bị ngoại vi .Nguồn Cung cung cấp : 24VDCCó 4 ngõ vào analog (dòng /áp)/ 1 ngõ ra analog ( dòng/ áp)Sơ đồ cấu trúc vào ra cung Modul analog EM235



Các swith từ 1 – 6 dùng để chọ tín hiệu ngõ ra phù hợp với tín hiệu điều khiển mô tả chi tiét ở bảng sau:



Attenuation : hệ số suy giảmVIII. PLC

1. Giới thiệu PLC S7-200

– Điện áp cấp nguồn: 15 ÷ 30VDC



– Ngõ vào tích cực: 15 ÷ 30VDC– Điện áp tại ngõ ra: 15 ÷ 30VDC

2. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC

Có các loại PLC S7-200 (Siemens):Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP, CPU226Theo loại điện áp người ta phân ra 2 loại:– Loại cấp điện áp 220VAC :

Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra rơ le – Loại cấp điện áp 24VDC :

Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra Transistor

3. Ứng dụng xuất sung tốc độ caoCPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0 ,Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung

tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài. – Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard – Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50%(PTO) và điều rộng xung theo tỉ

lệ(PWM). 3.1. Điều rộng xung 50% (PTO)

Loại này xuất ra ngõ ra giá trị Ton = 50%T, điện áp trung bình = ½ VDC Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0) và SMB77 ( cho Q0.1)

Result of executing the PLS instruction

Control Register (Hex

Value)Enable

Select Mode

PTO Segment Operation

Time BasePulse Count

Cycle Time

16#81 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load16#84 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load16#85 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load Load



16#89 Yes PTO Single 1 ms/cycle Load16#8C Yes PTO Single 1 ms/cycle Load16#8D Yes PTO Single 1 ms/cycle Load Load16#A0 Yes PTO Multiple 1 µs/cycle16#A8 Yes PTO Multiple 1 ms/cycle

3.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM)Ứng dụng này điều rộng xung theo tỷ lệ tùy ý. Ton = 0 ÷ 100% TĐịnh dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:

Result of executing the PLS instruction

Control Register (Hex Value)

EnableSelect Mode

PWM Update Method

Time BasePulse Width

Cycle Time

16#D1 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load16#D3 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load Load16#D9 Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load16#DB Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load Load

Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0) SMB77 ( cho Q0.1) Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển

4. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC)Định dạng bộ đếm tốc độ cao theo trình Wizard của Step 7 Micro Win. Ta thực hiện

các bước sau:

Chọn trình Wizard HSC:



Chọn chế độ cho HSC:

Định dạng bộ đếm



Các chế độ của HSC và kết nối với ngõ vào của PLC để sử dụng bộ HSCChế độ Miêu tả Input

HSC0 I0.0 I0.1 I0.2HSC1 I0.6 I0.7 I0.2 I1.1HSC2 I1.2 I1.3 I1.1 I1.2HSC3 I0.1HSC4 I0.3 I0.4 I0.5HSC5 I0.4

0Đếm lên xuống Nhịp1

Xóa2 Bắt đầu3

Đếm lên xuống với điều khiển hướng bên ngoài

Nhịp Hướng4Xóa

5 Bắt đầu6

Đếm lên xuống với hai xung nhịp Nhịp lênNhịp xuống

7Xóa

8 Bắt đầu9

Đếm lên xuống với 2 xung AB vuông pha từ Encoder

Nhịp A Nhịp B10Xóa

11 Bắt đầu

12Chỉ có HSC0 và HSC3 hổ trợ Chế độ 12

HSC0 đếm số xung và xuất ra Q0.0HSC3 đếm số xung và xuất ra Q0.1

- Các bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:HDEF Control Bits(used only when HDEF is executed)

HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description

SM37.0 SM47.0 SM57.0 SM147.0Active level control bit for Reset**:

0 = Reset active high1 = Reset active low

SM47.1 SM57.1Active level control bit for Start**:

0 = Start active high1 = Start active low

SM37.2 SM47.2 SM57.2 SM147.2

Counting rate selection for Quadrature counters:

0 = 4x counting rate1 = 1x counting rate

Các bit điều khiển:

HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description

SM37.3 SM47.3 SM57.3 SM137.3 SM147.3 SM157.3

Counting direction control bit:

0 = count down1 = count up

SM37.4 SM47.4 SM57.4 SM137.4 SM147.4 SM157.4

Write the counting direction to the HSC:

0 = no update1 = update direction

SM37.5 SM47.5 SM57.5 SM137.5 SM147.5 SM157.5 Write the new preset value to the HSC:

0 = no update



1 = update preset

SM37.6 SM47.6 SM57.6 SM137.6 SM147.6 SM157.6

Write the new current value to the HSC:

0 = no update1 = update current

SM37.7 SM47.7 SM57.7 SM137.7 SM147.7 SM157.7Enable the HSC:

0 = disable the HSC1 = enable the HSC

Các bit trạng thái:

HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description

SM36.0 SM46.0 SM56.0 SM136.0 SM146.0 SM156.0 Not usedSM36.1 SM46.1 SM56.1 SM136.1 SM146.0 SM156.1 Not usedSM36.2 SM46.2 SM56.2 SM136.2 SM146.0 SM156.2 Not usedSM36.3 SM46.3 SM56.3 SM136.3 SM146.0 SM156.3 Not usedSM36.4 SM46.4 SM56.4 SM136.4 SM146.0 SM156.4 Not used

SM36.5 SM46.5 SM56.5 SM136.5 SM146.0 SM156.5

Current counting direction status bit:0 = counting down;

1 = counting up

SM36.6 SM46.6 SM56.6 SM136.6 SM146.0 SM156.6

Current value equals preset value status bit:

0 = not equal;1 = equal

SM36.7 SM46.7 SM56.7 SM136.7 SM146.0 SM156.7

Current value greater than preset value

status bit:0 = less than or equal;

1 = greater than

IX. WINCC1. Giới thiệu WinCC (Windows Control Center)

Các bước để tạo một Project trong WinCC– Khởi động WinCC– Tạo một Project mới– Cài đặt Driver kết nối PLC– Tạo các biến– Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng– Cài đặt thông số cho winCC Runtime– Chạy chương trình (Activate)

2. Khởi động WinCCNhấn nút Start – Simatic – WinCC – Windows Control Center

3. Tạo một Project mới

Chọn Single-User Project Gõ tên Project vào project name



4. Cài đặt Driver kết nối PLC

Hộp thoại xuất hiện chọn Driver: OPC.chn

5. Tạo các biến5.1 Biến nội

Hộp thoại Tag Properties xuất hiện


Phải chuột vào Tag Management chọn Add New Driver

Phải chuột vào Internal tags

Chọn New Tag…


5.2. Biến ngoại: Sử dụng PC Access Khởi động PC Access – File – New chọn


Tên PLC

Địa chỉ PLC(từ 1 đến 126)

Chọn Tên Tag

và kiểu dữ liệu

chọn xong bấm OK


Hộp thoại Item Properties xuất hiện:

Sau khi tạo xong các biến ta tiến hành tạo liên kết với WinCC


Để tạo các biến ngoại ta chọn

New - Item


Hộp thoại OPC Item Manager :

Nhấp vào “+” tại S7200.OPCServer


Trong màn hình WinCC

phải chuột vào OPC Groups

chọn System Parameter

Chọn Browse Server – đánh dấu

vào Read Access và Write Access


Sau đó chon Add và chọn tiếp S7200 – OPCServer và Finish6. Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng

Hộp thoại Graphics Designer xuất hiện:

Trong màn hình này ta tạo các vùng liên kết, các nút nhấn và đồ thị hiển thị…. Và chỉnh sửa sao cho phù hợp với người dùng.

7. Cài đặt thông số cho winCC RuntimeTrên cửa sổ WinCC Explorer click chuột phải vào mục Computer, chọn Properies sau

đó Chọn Properties lần nữa.Trên tab Graphics Runtime chọn trang màn hình khởi động, và đặt các thuộc tính cho

màn hình giao diện


Phải chuột vào Graphics

Designer chọn New Picture


Nhấn Ok để thoát.Cuối cùng nhấn Active để chạy chương trình.



CHƯƠNG 2THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

I. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển motor

II. Điều khiển bằng tayCác bước thực hiện:

1. Cài đặt thông số biến tần2. Nhấn phím LOC/ REM trên bàn phím điều khiển , cho màn hình hiển thị chữ LOC

bên phải màn hình3. START -> động cơ hoạt động , SPEED thay đổi tần số -> thay đổi tốc độ động cơ4. FW/RS : chọn chiều quay của động cơ5. STOP : Dừng động cơ



III. Điều khiển bằng WIN CC + PLC _ MODUL E2351.Cài đặt thông số

Menu -> PAR L -> - 10- ( START/STOP/DIR) -> 9 ( tức họn 2 ngõ vào số DI1 DI2 )DI1 DI2 Hoạt động0 0 STOP1 0 START FORWARD0 1 SATRT REVERSE1 1 STOP

2. Chương trinh điều khiển PLC + WICC2.1 Chương trình PLC2.1.1.Chương trình chính



2.1.2.Chương trình SRB_HSC



2.1.3.Chương trình ngắt INT_10



2.2 Tạo Item trong PC Access



2.3.Giao diện WINCC:

START_FW: Chạy tới.START_RW: Chạy lùi.RESET: Reset hệ thống.STOP: Dừng chương trình



CHƯƠNG 3ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN

Ở đề tài chúng này chúng em thực hiện hoàn chỉnh điều khiển Động cơ 3 pha không đồng bộ bằng biến tần ABB – ACS150 Cả hai chế độ :

- Bằng phím chức năng ở mặt máy - Thông qua giao tiếp PLC Do thời gian và kiến thức có hạn vì vậy Đề tài không tránh khỏi những sai sót, mong

quý thầy cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Nhờ (2002). Điện tử công suất 1. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TPHCM.

[2] Lê Văn Doanh (chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thinh. Điện tử công suất. Tập 1 và 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật.

[3] M.H Rashid (2001), Power electronics, circuits, devices, and applications. Prentice – Hall International Editions.

[4] Đinh Thị Yên Hòa, Tài liệu ôn tập môn truyền động điện, (lưu hành nội bộ).[5] Poh Chiang Loh et al.(2003). Reduced Common Mode modulation strategies forcascaded multilevel inverters. In IEEE transactions on industry applications, vol.39 No 5September/ october 2003

[6] Sergio Busquets-Monge, Josep Bordonau, Dushan Boroyevich, and Seigio Somavilla (2004). The nearest three virtual space vector PWM- A modulation for the Comprehensive Neutral Point balancing in three level NPC inverter. In IEEE Power electronics letters, vol 2, No 1, March 2004 11

[7] Website www.hiendaihoa.com[8] Website www. Dientuvietnam.com [9] abb.com/[10]siemen.com


http://www.hiendaihoa.com/

dieu khien dong_co_dung_bien_tan_abb

Documents