Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp 253858
- 119 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT
LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT
LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN VĂN LIỄN
Hà Nội, 2010
Lời cảm ơn
LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp của tôi với đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền
động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” đã được hoàn chỉnh trong một thời
gian ngắn và đã đạt được các kết quả đặt ra. Đồng thời, giúp nâng cao khả năng tự
nghiên cứu của bản thân tôi trong quá trình ứng dụng các thành tựu khoa học vào
việc phát triển công nghệ cho đất nước.
Tôi chân thành cám ơn PGS. TS Nguyễn Văn Liễn, người hướng dẫn trực
tiếp cho tôi hoàn thành luận văn này. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy
về nhiều vấn đề của về hệ thống truyền động và bán tần công suất lớn đã mở ra một
hướng nghiên cứu mới và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với công nghệ này.
Tôi cũng xin cảm ơn các giảng viên Khoa Điện, Bộ môn Tự động hóa XNCN,
trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện tra cứu các tài liệu, hướng dẫn cho tôi hoàn
thành tốt đề tài của luận văn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
i
Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền
động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” do em tự thực hiện dưới sự hướng
dẫn của thầy PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN.
Để hoàn thành bản đồ án này em chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao
chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
HỌC VIÊN
Nguyễn Mạnh Cường
ii
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT .............................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ ................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... xi
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU ...........................................................................................................1
1.1. TỔNG QUAN CHUNG ................................................................................1
1.2. CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT ..........2
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) .........................................2
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp .............................................................................5
1.3. THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH CÔNG SUẤT LỚN .....................................11
1.3.1. ĐIỐT ...................................................................................................12
1.3.2. SCR (Silicon Controller Rectifier)......................................................13
1.3.3. GTO (Gate Turn-Off Thyristor)..........................................................14
1.3.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) ............................................16
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP CHO TRUYỀN ĐỘNG
TRUNG ÁP .........................................................................................................19
2.1. CÁC SẢN PHẨM THỰC TẾ .....................................................................19
2.1.1. Giới thiệu ............................................................................................19
2.1.2. Các sản phẩm thực tế ..........................................................................20
2.2. THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU......................................................................26
2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................26
2.2.2. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sáu xung: .......................................................27
2.2.3. Bộ chỉnh lưu 12 xung ..........................................................................32
2.3. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ..............................................................34
iii
Mục lục
2.3.1. Giới thiệu ............................................................................................34
2.3.2. Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa mức Điốt kẹp .....................35
2.3.3. Kết luận ...............................................................................................40
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÉC TƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ
NGHỊCH LƯU ÁP 3 MỨC ......................................................................................41
3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC .41
3.1.1. Phương pháp SinPWM .......................................................................41
3.1.2. Phương pháp SFO - PWM ..................................................................46
3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN .............................48
3.2.1. Khái niệm ............................................................................................48
3.2.2. Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp ba mức NPC ................49
CHƯƠNG IV. MÔ PHỎNG HỆ TRONG MATLAB – SIMULINK .................68
4.1. THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG .....................................................................68
4.2. CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ..........................................69
4.3. MÔ PHỎNG VỚI TẢI R-L .........................................................................76
4.3.1. Với m a = 0,7 : .....................................................................................76
4.3.2. Với m a = 0,6 : .....................................................................................78
4.3.3. Với m a = 0,8 : .....................................................................................78
4.4. MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ. ...................79
4.4.1. Tham số mô phỏng..............................................................................79
4.4.2. Kết quả ................................................................................................80
4.5. MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN......................81
4.5.1. Tham số mô phỏng..............................................................................81
4.5.2. Kết quả ................................................................................................82
4.6. KẾT LUẬN .................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
PHỤ LỤC .................................................................................................................... i
iv
Danh mục ký hiệu & chữ viết tắt
DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/Viết tắt Giải thích
2L-VSC 2 Level – Voltage Source Converter
3L-NPC 3 Level – Neutral-Point Clamped
APOD
CBPWM
CSC Current Source Converter
DTC Direct Torque Control
GCT Gate Controlled Thyristor
GTO Gate Turn-Off Thyristor
HVDC High Voltage DC transmission
IEGT Injection-Enhanced Gate Transistor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor
IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor
MCT MOS Control Thyristor
MV Medium Voltage
PD
POD
PWM Pulse Width Modulation
SCR Silicon Controller Rectifier
SFO-PWM
SHE Selective harmonics elimination
SIT Static Induction Transistor
SPWM Synchronized Pulse-Width Modulation
SVPWM
THD
VSC Voltage Source Converter
v
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ............................................ 2
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ................................................................... 3
Hình 1. 3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin ....... 4
Hình 1. 4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc ................................. 5
Hình 1. 5: Thiết bị biến tần gián tiếp ..................................................................................... 6
Hình 1. 6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều ............................................ 7
Hình 1. 7: Bộ biến tần điều khiển vector ............................................................................. 10
Hình 1. 8: Điện áp và dòng điện của thiết bị bán dẫn công suất lớn. .................................. 12
Hình 1. 9: Điốt loại press-pack 4.5-kV/0.8-kA và modul 1.7-kV/1.2-kA ........................... 13
Hình 1. 10: Đặc tính chuyển mạch của SCR ....................................................................... 14
Hình 1. 11: Cấu trúc GTO công suất lớn và Cấu trúc Điốt ngược ...................................... 15
Hình 1. 12: Đặc tính chuyển mạch của GTO ....................................................................... 16
Hình 1. 13: IGBT 1.7-kV/1.2-kA và 3.3-kV/1.2-kA............................................................ 17
Hình 1. 14: Đặc tính chuyển mạch của IGBT...................................................................... 17
Hình 2. 1: Sơ đồ các khối chung trong hệ truyến động trung áp ......................................... 19
Hình 2. 2: Dải điện áp và công suất trong truyền động trung áp ......................................... 20
Hình 2. 3: Sản phẩm SIMOVERT MV của Siemens .......................................................... 22
Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lý của Simovert MV .................................................................... 23
Hình 2. 5: Module HV IGBT ............................................................................................... 23
Hình 2. 6: Điện áp và dòng điện đầu ra của bộ Simovert MV 6kV và 6.6 kV với bộ lọc
IHV ...................................................................................................................................... 24
Hình 2. 7: Dura Bilt5 MV series .......................................................................................... 24
Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần Dura Bilt5 MV series ..................................... 25
Hình 2. 9: Bộ ACS 6000 Series của ABB ........................................................................... 26
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý ACS 6000 .............................................................................. 26
Hình 2. 11: Bộ chỉnh lưu đa xung ........................................................................................ 27
Hình 2. 12: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ........................................................ 28
Hình 2. 13: Giản đồ áp dây nguồn AC và điện áp DC đầu ra (red) ..................................... 28
vi
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 2. 14: Dòng điện nguồn pha a và áp nguồn pha a ....................................................... 29
Hình 2. 15: Ảnh hưởng của Ls............................................................................................. 30
Hình 2. 16: Dòng qua nguồn và áp nguồn pha a................................................................. 30
Hình 2. 17: Áp DC so với các áp dây nguồn ...................................................................... 30
Hình 2. 18: Dùng tụ DC link để lọc áp tải DC đầu ra .......................................................... 31
Hình 2. 19: Áp DC đầu ra .................................................................................................... 31
Hình 2. 20: Bộ chỉnh lưu 12 xung ....................................................................................... 32
Hình 2. 21: Ap DC khi ULL rms =220 V ............................................................................ 33
Hình 2. 22: Dòng điện qua nguồn ........................................................................................ 33
Hình 2. 23: Phổ fourier của dòng qua nguồn ....................................................................... 34
Hình 2. 24: Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức .......................................................................... 36
Hình 2. 25: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra ........................ 37
Hình 2. 26: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC ............................... 38
Hình 2. 27: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải i A > 0 .......... 38
Hình 2. 28: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải i A < 0 .......... 39
Hình 3. 1: Sóng mang dạng PD ........................................................................................... 42
Hình 3. 2: Sóng mang dạng APOD...................................................................................... 42
Hình 3. 3: Sóng điều khiển U ra và 2 sóng mang PD ............................................................ 44
Hình 3. 4: Điện áp Pha – tâm nguồn DC VAO.................................................................... 44
Hình 3. 5: Điện áp tải pha a ................................................................................................. 44
Hình 3. 6: Phổ Fourier của áp tải pha a ............................................................................... 45
Hình 3. 7:Tín hiệu V offset ...................................................................................................... 46
Hình 3. 8: Tín hiệu điều chế pha a U ra với biên độ = 0.693 ................................................ 46
Hình 3. 9: Tín hiệu điều chế sin với A m =0.8 ..................................................................... 47
Hình 3. 10: Điện áp tải pha a ............................................................................................... 47
Hình 3. 11: Phổ fourier của áp tải pha a .............................................................................. 47
Hình 3. 12: Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC ........................................................................... 49
Hình 3. 13: Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC................................ 51
Hình 3. 14: Điều chế vector không gian .............................................................................. 52
Hình 3. 15: Vectơ điện áp ở vùng I (sector I) ...................................................................... 53
vii
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 3. 16: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V 0 [PPP] ......................... 55
Hình 3. 17: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V1 .................................... 55
Hình 3. 18: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V 7 .................................... 56
Hình 3. 19: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V13 ................................... 56
Hình 3. 20: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4).................................. 57
Hình 3. 21: Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình V ref thuộc vùng I-4 ........................... 58
Hình 3. 22: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a) ............................... 59
Hình 3. 23: Hai trình tự khóa bán dẫn đối với V ref thuộc khu vực IV-4 ............................ 63
Hình 3. 24: Cách sử dụng thay thế giữa trình tự khóa bán dẫn loại A và loại B ................. 64
Hình 4. 1Sơ đồ khối bộ điều chế vectơ không gian ............................................................. 68
Hình 4. 2: Sơ đồ thuật toán điều chế phát xung cho nghịch lưu .......................................... 68
Hình 4. 3: Mô hình trong simulink ...................................................................................... 69
Hình 4. 4: Khối điều chế vectơ ............................................................................................ 70
Hình 4. 5: Khâu tạo điện áp 3 pha đối xứng ........................................................................ 71
Hình 4. 6: Khâu chuyển hệ trục tọa độ abc=>αβ ................................................................. 71
Hình 4. 7: Khâu xác định vùng và góc của vector điện áp tham chiếu ................................ 71
Hình 4. 8: Khâu chuyển đổi về vùng I (sector I) ................................................................. 72
Hình 4. 9: Khâu xác định vị trí tam giác .............................................................................. 72
Hình 4. 10: Khâu tính thời gian tác động trong vùng 1 (sector I)........................................ 72
Hình 4. 11: Khâu tính thời gian phát xung cho các van ...................................................... 73
Hình 4. 12: Khâu tạo xung điều khiển ................................................................................. 74
Hình 4. 13: Cấu trúc mạch lực ............................................................................................. 75
Hình 4. 14: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu .................................................... 76
Hình 4. 15: Phổ tần số điện áp dây ...................................................................................... 76
Hình 4. 16: Đồ thị dòng điện ............................................................................................... 77
Hình 4. 17: Phổ tần số dòng điện pha A .............................................................................. 77
Hình 4. 18: Phổ tần số điện áp dây và dòng điện với m a =0,6 ............................................ 78
Hình 4. 19: Phổ tần số điện áp dây và dòng điện với m a =0,8 ............................................ 78
Hình 4. 20: Đồ thị dòng điện động cơ công suât nhỏ .......................................................... 80
viii
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 4. 21: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu động cơ công suât nhỏ ............... 80
Hình 4. 22: Đồ thị mômen động cơ công suât nhỏ .............................................................. 81
Hình 4. 23: Đồ thị tốc độ động cơ công suât nhỏ ................................................................ 81
Hình 4. 24: Đồ thị dòng điện tải động cơ công suất lớn ...................................................... 82
Hình 4. 25: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu tải động cơ công suất lớn ........... 83
Hình 4. 26: Đồ thị mômen tải động cơ công suất lớn .......................................................... 83
Hình 4. 27: Đồ thị tốc độ tải động cơ công suất lớn ............................................................ 84
ix
Danh mục các bảng
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: Thông số của SCR 12kV/1.5kA ......................................................................... 14
Bảng 1. 2: Thông số cơ bản IGBT 3.3kV/1.2kA ................................................................. 18
Bảng 2. 1: Một số loại biến tần trung áp trên thế giới ......................................................... 20
Bảng 2. 2: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC ................... 37
Bảng 2. 3: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC ....... 39
Bảng 3. 1: Thông số mô phỏng SinPWM với m=0.68 ........................................................ 45
Bảng 3. 2: Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn ................................. 50
Bảng 3. 3: Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản................................ 53
Bảng 3. 4: Thời gian tác động của vector V ref trong vùng I ................................................ 54
Bảng 3. 5: Trình tự và thời gian tác động đối với V ref thuộc tam giác I-3a ....................... 59
Bảng 3. 6: Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong toàn bộ không gian trạng thái
............................................................................................................................................. 59
Bảng 3. 7: Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong toàn bộ không gian trạng
thái. ...................................................................................................................................... 64
x
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, các bộ điều khiển tốc độ động cơ ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp như máy bơm, quạt, băng chuyền … Trong đó hầu hết sử dụng
các động cơ trung áp với dải điện áp 3,3÷6,6 kV và công suất 1÷4 MW. Với bộ
nghịch lưu hai mức trước đây tuy có nhiều sự phát triển nhưng chỉ phù hợp với các
truyền động công suất nhỏ. Hơn nữa dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu hai
mức có thành phần hài bậc cao khá lớn.
Vì vậy trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đa mức đã được nhiều chú ý
và được xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp.
Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức: điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống
nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình
đóng cắt linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài
bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức nên chất
lượng điện áp ra tốt hơn.
Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài "“Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động
công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp”".
Mục đích nghiên cứu:
Mục đích của đề tài là nghiên cứu, phân tích các trạng thái và quá trình chuyển
mạch của các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu áp đa mức; phân tích hai
phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc NPC.
Trên cơ sở đó xây dựng thuật toán và viết chương trình mô phỏng cho phương pháp
điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu 3 mức. Đánh giá chất lượng phương
pháp điều chế cho các trường hợp khác nhau của tải.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nội dung của luận văn nhằm phân tích trạng thái, quá trình chuyển mạch của
các khóa bán dẫn và hai phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu
áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp (Three level Neutral Point Clamped Inverters: 3L-NPC).
Phương pháp nghiên cứu:
xi
Lời nói đầu
Trên cơ sở phân tích, xây dựng thuật toán và tiến hành mô phỏng trên phần
mềm Matlab để phân tích, đánh giá về đặc tính điều chỉnh, dạng sóng ngõ ra và độ
méo sóng hài cũng như phân tích hài ở một số chỉ số điều chế quan trọng.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Thông qua việc nghiên cứu phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ
nghịch lưu áp 3 mức cho thấy tổn hao đóng ngắt, tỉ lệ sóng hài xuống thấp, chất
lượng dòng điện và điện áp ra tốt chứng minh phạm vi ứng dụng trong điều khiển
truyền động là thực tế.
Cấu trúc luận văn:
Chương 1 : Hệ thống truyền động biến tần – động cơ xoay chiều.
Chương 2 : Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ trung áp.
Chương 3 : Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp 3 mức.
Chương 4 : Mô phỏng hệ trong Matlab-Simulink.
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Liễn và các Thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn. Kính mong được các Thầy và các bạn
đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn.
xii
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1. TỔNG QUAN CHUNG
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ
và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của
hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất
truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống
chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các
bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một
chiều. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp
đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được
đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi
điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra
cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được
mở rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng
bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương
pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực
tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số
theo qui luật U1/ῳ1 = const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về
cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều
tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm
tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến
hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ῳ1 = const là mục tiêu thực
hiện bù điện áp thông dụng với U1/ῳ1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm
cho từ thông khe hở không khí không đổi (Φm = const), từ đó cải thiện được chất
lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến,
khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế.
1
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
Hệ thống truyền động điều khiển Er/ῳ1 = const có thể nhận được đường đặc tính
cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể
thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch
rotor Φm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/ῳ1 = const. Trong
trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ῳ1 = const là mục đích
của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là
khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển
định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens
Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971 và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện
áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong
sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống
điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.
1.2. CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1. Bộ biến đổi này chỉ
dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần
số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá
trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,
còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).
Hình 1. 1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc
song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor (hình 1.2). Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận
ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ
2
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
nhận được điện áp ra xoay chiều U(t). Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển
α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm
việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược. Nếu góc điều khiển α không
thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện
áp đầu ra. Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên
tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm
việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ
thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện áp trung bình bằng
không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần α
từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại
giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp
biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 1.3. Trong đó, tại điểm A có α = 0,
điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc α tăng dần
lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/2 điện áp trung
bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện
bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương
tự như thế.
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực
tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song
song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ. Như vậy, nếu
mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ
3
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
cần tổng cộng tới 36 thyristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một thyristor), nếu dùng loại
sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 thyristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp
tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng
lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tương tự
như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một
chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện
giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các
linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt.
Hình 1. 3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin
Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện
áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất
cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra
giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn
cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực
công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền
bi, lò xi măng .... những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện
bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường
dùng thyristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến
tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi
tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao
4
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ
thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW).
Hình 1. 4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc
của các khâu trong biến tần trực tiếp
Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm
có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần
dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta
có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp
lại công suất cho lưới.
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:
- Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp
- Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá
lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
- Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
5
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng
cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián
tiếp. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần
trực tiếp ở trên.
Hình 1. 5: Thiết bị biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác
nhau, cấu trúc chung được mô tả như hình 1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu chính:
chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà có
thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến tần dùng
chỉnh lưu không điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần
dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung
(PWM).
a. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần này có cấu trúc như trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện
được biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển
thyristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng
nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể sử dụng các thyristor hoặc transistor.
Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 được thực hiện bằng việc điều khiển góc điều
khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên
quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc
của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp
xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển thyristor nên
khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng
điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường dùng nghịch áp 3 pha bằng
6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT
LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT
LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN VĂN LIỄN
Hà Nội, 2010
Lời cảm ơn
LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp của tôi với đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền
động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” đã được hoàn chỉnh trong một thời
gian ngắn và đã đạt được các kết quả đặt ra. Đồng thời, giúp nâng cao khả năng tự
nghiên cứu của bản thân tôi trong quá trình ứng dụng các thành tựu khoa học vào
việc phát triển công nghệ cho đất nước.
Tôi chân thành cám ơn PGS. TS Nguyễn Văn Liễn, người hướng dẫn trực
tiếp cho tôi hoàn thành luận văn này. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy
về nhiều vấn đề của về hệ thống truyền động và bán tần công suất lớn đã mở ra một
hướng nghiên cứu mới và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với công nghệ này.
Tôi cũng xin cảm ơn các giảng viên Khoa Điện, Bộ môn Tự động hóa XNCN,
trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện tra cứu các tài liệu, hướng dẫn cho tôi hoàn
thành tốt đề tài của luận văn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
i
Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền
động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” do em tự thực hiện dưới sự hướng
dẫn của thầy PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN.
Để hoàn thành bản đồ án này em chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao
chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
HỌC VIÊN
Nguyễn Mạnh Cường
ii
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT .............................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ ................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... xi
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU ...........................................................................................................1
1.1. TỔNG QUAN CHUNG ................................................................................1
1.2. CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT ..........2
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) .........................................2
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp .............................................................................5
1.3. THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH CÔNG SUẤT LỚN .....................................11
1.3.1. ĐIỐT ...................................................................................................12
1.3.2. SCR (Silicon Controller Rectifier)......................................................13
1.3.3. GTO (Gate Turn-Off Thyristor)..........................................................14
1.3.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) ............................................16
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP CHO TRUYỀN ĐỘNG
TRUNG ÁP .........................................................................................................19
2.1. CÁC SẢN PHẨM THỰC TẾ .....................................................................19
2.1.1. Giới thiệu ............................................................................................19
2.1.2. Các sản phẩm thực tế ..........................................................................20
2.2. THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU......................................................................26
2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................26
2.2.2. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sáu xung: .......................................................27
2.2.3. Bộ chỉnh lưu 12 xung ..........................................................................32
2.3. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ..............................................................34
iii
Mục lục
2.3.1. Giới thiệu ............................................................................................34
2.3.2. Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa mức Điốt kẹp .....................35
2.3.3. Kết luận ...............................................................................................40
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÉC TƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ
NGHỊCH LƯU ÁP 3 MỨC ......................................................................................41
3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC .41
3.1.1. Phương pháp SinPWM .......................................................................41
3.1.2. Phương pháp SFO - PWM ..................................................................46
3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN .............................48
3.2.1. Khái niệm ............................................................................................48
3.2.2. Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp ba mức NPC ................49
CHƯƠNG IV. MÔ PHỎNG HỆ TRONG MATLAB – SIMULINK .................68
4.1. THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG .....................................................................68
4.2. CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ..........................................69
4.3. MÔ PHỎNG VỚI TẢI R-L .........................................................................76
4.3.1. Với m a = 0,7 : .....................................................................................76
4.3.2. Với m a = 0,6 : .....................................................................................78
4.3.3. Với m a = 0,8 : .....................................................................................78
4.4. MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ. ...................79
4.4.1. Tham số mô phỏng..............................................................................79
4.4.2. Kết quả ................................................................................................80
4.5. MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN......................81
4.5.1. Tham số mô phỏng..............................................................................81
4.5.2. Kết quả ................................................................................................82
4.6. KẾT LUẬN .................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
PHỤ LỤC .................................................................................................................... i
iv
Danh mục ký hiệu & chữ viết tắt
DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/Viết tắt Giải thích
2L-VSC 2 Level – Voltage Source Converter
3L-NPC 3 Level – Neutral-Point Clamped
APOD
CBPWM
CSC Current Source Converter
DTC Direct Torque Control
GCT Gate Controlled Thyristor
GTO Gate Turn-Off Thyristor
HVDC High Voltage DC transmission
IEGT Injection-Enhanced Gate Transistor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor
IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor
MCT MOS Control Thyristor
MV Medium Voltage
PD
POD
PWM Pulse Width Modulation
SCR Silicon Controller Rectifier
SFO-PWM
SHE Selective harmonics elimination
SIT Static Induction Transistor
SPWM Synchronized Pulse-Width Modulation
SVPWM
THD
VSC Voltage Source Converter
v
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ............................................ 2
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ................................................................... 3
Hình 1. 3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin ....... 4
Hình 1. 4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc ................................. 5
Hình 1. 5: Thiết bị biến tần gián tiếp ..................................................................................... 6
Hình 1. 6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều ............................................ 7
Hình 1. 7: Bộ biến tần điều khiển vector ............................................................................. 10
Hình 1. 8: Điện áp và dòng điện của thiết bị bán dẫn công suất lớn. .................................. 12
Hình 1. 9: Điốt loại press-pack 4.5-kV/0.8-kA và modul 1.7-kV/1.2-kA ........................... 13
Hình 1. 10: Đặc tính chuyển mạch của SCR ....................................................................... 14
Hình 1. 11: Cấu trúc GTO công suất lớn và Cấu trúc Điốt ngược ...................................... 15
Hình 1. 12: Đặc tính chuyển mạch của GTO ....................................................................... 16
Hình 1. 13: IGBT 1.7-kV/1.2-kA và 3.3-kV/1.2-kA............................................................ 17
Hình 1. 14: Đặc tính chuyển mạch của IGBT...................................................................... 17
Hình 2. 1: Sơ đồ các khối chung trong hệ truyến động trung áp ......................................... 19
Hình 2. 2: Dải điện áp và công suất trong truyền động trung áp ......................................... 20
Hình 2. 3: Sản phẩm SIMOVERT MV của Siemens .......................................................... 22
Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lý của Simovert MV .................................................................... 23
Hình 2. 5: Module HV IGBT ............................................................................................... 23
Hình 2. 6: Điện áp và dòng điện đầu ra của bộ Simovert MV 6kV và 6.6 kV với bộ lọc
IHV ...................................................................................................................................... 24
Hình 2. 7: Dura Bilt5 MV series .......................................................................................... 24
Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần Dura Bilt5 MV series ..................................... 25
Hình 2. 9: Bộ ACS 6000 Series của ABB ........................................................................... 26
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý ACS 6000 .............................................................................. 26
Hình 2. 11: Bộ chỉnh lưu đa xung ........................................................................................ 27
Hình 2. 12: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ........................................................ 28
Hình 2. 13: Giản đồ áp dây nguồn AC và điện áp DC đầu ra (red) ..................................... 28
vi
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 2. 14: Dòng điện nguồn pha a và áp nguồn pha a ....................................................... 29
Hình 2. 15: Ảnh hưởng của Ls............................................................................................. 30
Hình 2. 16: Dòng qua nguồn và áp nguồn pha a................................................................. 30
Hình 2. 17: Áp DC so với các áp dây nguồn ...................................................................... 30
Hình 2. 18: Dùng tụ DC link để lọc áp tải DC đầu ra .......................................................... 31
Hình 2. 19: Áp DC đầu ra .................................................................................................... 31
Hình 2. 20: Bộ chỉnh lưu 12 xung ....................................................................................... 32
Hình 2. 21: Ap DC khi ULL rms =220 V ............................................................................ 33
Hình 2. 22: Dòng điện qua nguồn ........................................................................................ 33
Hình 2. 23: Phổ fourier của dòng qua nguồn ....................................................................... 34
Hình 2. 24: Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức .......................................................................... 36
Hình 2. 25: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra ........................ 37
Hình 2. 26: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC ............................... 38
Hình 2. 27: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải i A > 0 .......... 38
Hình 2. 28: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải i A < 0 .......... 39
Hình 3. 1: Sóng mang dạng PD ........................................................................................... 42
Hình 3. 2: Sóng mang dạng APOD...................................................................................... 42
Hình 3. 3: Sóng điều khiển U ra và 2 sóng mang PD ............................................................ 44
Hình 3. 4: Điện áp Pha – tâm nguồn DC VAO.................................................................... 44
Hình 3. 5: Điện áp tải pha a ................................................................................................. 44
Hình 3. 6: Phổ Fourier của áp tải pha a ............................................................................... 45
Hình 3. 7:Tín hiệu V offset ...................................................................................................... 46
Hình 3. 8: Tín hiệu điều chế pha a U ra với biên độ = 0.693 ................................................ 46
Hình 3. 9: Tín hiệu điều chế sin với A m =0.8 ..................................................................... 47
Hình 3. 10: Điện áp tải pha a ............................................................................................... 47
Hình 3. 11: Phổ fourier của áp tải pha a .............................................................................. 47
Hình 3. 12: Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC ........................................................................... 49
Hình 3. 13: Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC................................ 51
Hình 3. 14: Điều chế vector không gian .............................................................................. 52
Hình 3. 15: Vectơ điện áp ở vùng I (sector I) ...................................................................... 53
vii
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 3. 16: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V 0 [PPP] ......................... 55
Hình 3. 17: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V1 .................................... 55
Hình 3. 18: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V 7 .................................... 56
Hình 3. 19: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V13 ................................... 56
Hình 3. 20: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4).................................. 57
Hình 3. 21: Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình V ref thuộc vùng I-4 ........................... 58
Hình 3. 22: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a) ............................... 59
Hình 3. 23: Hai trình tự khóa bán dẫn đối với V ref thuộc khu vực IV-4 ............................ 63
Hình 3. 24: Cách sử dụng thay thế giữa trình tự khóa bán dẫn loại A và loại B ................. 64
Hình 4. 1Sơ đồ khối bộ điều chế vectơ không gian ............................................................. 68
Hình 4. 2: Sơ đồ thuật toán điều chế phát xung cho nghịch lưu .......................................... 68
Hình 4. 3: Mô hình trong simulink ...................................................................................... 69
Hình 4. 4: Khối điều chế vectơ ............................................................................................ 70
Hình 4. 5: Khâu tạo điện áp 3 pha đối xứng ........................................................................ 71
Hình 4. 6: Khâu chuyển hệ trục tọa độ abc=>αβ ................................................................. 71
Hình 4. 7: Khâu xác định vùng và góc của vector điện áp tham chiếu ................................ 71
Hình 4. 8: Khâu chuyển đổi về vùng I (sector I) ................................................................. 72
Hình 4. 9: Khâu xác định vị trí tam giác .............................................................................. 72
Hình 4. 10: Khâu tính thời gian tác động trong vùng 1 (sector I)........................................ 72
Hình 4. 11: Khâu tính thời gian phát xung cho các van ...................................................... 73
Hình 4. 12: Khâu tạo xung điều khiển ................................................................................. 74
Hình 4. 13: Cấu trúc mạch lực ............................................................................................. 75
Hình 4. 14: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu .................................................... 76
Hình 4. 15: Phổ tần số điện áp dây ...................................................................................... 76
Hình 4. 16: Đồ thị dòng điện ............................................................................................... 77
Hình 4. 17: Phổ tần số dòng điện pha A .............................................................................. 77
Hình 4. 18: Phổ tần số điện áp dây và dòng điện với m a =0,6 ............................................ 78
Hình 4. 19: Phổ tần số điện áp dây và dòng điện với m a =0,8 ............................................ 78
Hình 4. 20: Đồ thị dòng điện động cơ công suât nhỏ .......................................................... 80
viii
Danh mục các hình vẽ & đồ thị
Hình 4. 21: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu động cơ công suât nhỏ ............... 80
Hình 4. 22: Đồ thị mômen động cơ công suât nhỏ .............................................................. 81
Hình 4. 23: Đồ thị tốc độ động cơ công suât nhỏ ................................................................ 81
Hình 4. 24: Đồ thị dòng điện tải động cơ công suất lớn ...................................................... 82
Hình 4. 25: Đồ thị điện áp pha và dây đầu ra nghịch lưu tải động cơ công suất lớn ........... 83
Hình 4. 26: Đồ thị mômen tải động cơ công suất lớn .......................................................... 83
Hình 4. 27: Đồ thị tốc độ tải động cơ công suất lớn ............................................................ 84
ix
Danh mục các bảng
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: Thông số của SCR 12kV/1.5kA ......................................................................... 14
Bảng 1. 2: Thông số cơ bản IGBT 3.3kV/1.2kA ................................................................. 18
Bảng 2. 1: Một số loại biến tần trung áp trên thế giới ......................................................... 20
Bảng 2. 2: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC ................... 37
Bảng 2. 3: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC ....... 39
Bảng 3. 1: Thông số mô phỏng SinPWM với m=0.68 ........................................................ 45
Bảng 3. 2: Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn ................................. 50
Bảng 3. 3: Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản................................ 53
Bảng 3. 4: Thời gian tác động của vector V ref trong vùng I ................................................ 54
Bảng 3. 5: Trình tự và thời gian tác động đối với V ref thuộc tam giác I-3a ....................... 59
Bảng 3. 6: Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong toàn bộ không gian trạng thái
............................................................................................................................................. 59
Bảng 3. 7: Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong toàn bộ không gian trạng
thái. ...................................................................................................................................... 64
x
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, các bộ điều khiển tốc độ động cơ ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp như máy bơm, quạt, băng chuyền … Trong đó hầu hết sử dụng
các động cơ trung áp với dải điện áp 3,3÷6,6 kV và công suất 1÷4 MW. Với bộ
nghịch lưu hai mức trước đây tuy có nhiều sự phát triển nhưng chỉ phù hợp với các
truyền động công suất nhỏ. Hơn nữa dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu hai
mức có thành phần hài bậc cao khá lớn.
Vì vậy trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đa mức đã được nhiều chú ý
và được xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp.
Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức: điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống
nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình
đóng cắt linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài
bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức nên chất
lượng điện áp ra tốt hơn.
Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài "“Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động
công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp”".
Mục đích nghiên cứu:
Mục đích của đề tài là nghiên cứu, phân tích các trạng thái và quá trình chuyển
mạch của các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu áp đa mức; phân tích hai
phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức cấu trúc NPC.
Trên cơ sở đó xây dựng thuật toán và viết chương trình mô phỏng cho phương pháp
điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu 3 mức. Đánh giá chất lượng phương
pháp điều chế cho các trường hợp khác nhau của tải.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nội dung của luận văn nhằm phân tích trạng thái, quá trình chuyển mạch của
các khóa bán dẫn và hai phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu
áp 3 mức cấu trúc điốt kẹp (Three level Neutral Point Clamped Inverters: 3L-NPC).
Phương pháp nghiên cứu:
xi
Lời nói đầu
Trên cơ sở phân tích, xây dựng thuật toán và tiến hành mô phỏng trên phần
mềm Matlab để phân tích, đánh giá về đặc tính điều chỉnh, dạng sóng ngõ ra và độ
méo sóng hài cũng như phân tích hài ở một số chỉ số điều chế quan trọng.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Thông qua việc nghiên cứu phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ
nghịch lưu áp 3 mức cho thấy tổn hao đóng ngắt, tỉ lệ sóng hài xuống thấp, chất
lượng dòng điện và điện áp ra tốt chứng minh phạm vi ứng dụng trong điều khiển
truyền động là thực tế.
Cấu trúc luận văn:
Chương 1 : Hệ thống truyền động biến tần – động cơ xoay chiều.
Chương 2 : Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ trung áp.
Chương 3 : Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp 3 mức.
Chương 4 : Mô phỏng hệ trong Matlab-Simulink.
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Liễn và các Thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn. Kính mong được các Thầy và các bạn
đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn.
xii
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
1.1. TỔNG QUAN CHUNG
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ
và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của
hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất
truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống
chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các
bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một
chiều. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp
đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được
đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi
điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra
cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được
mở rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng
bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương
pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực
tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số
theo qui luật U1/ῳ1 = const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về
cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều
tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm
tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến
hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ῳ1 = const là mục tiêu thực
hiện bù điện áp thông dụng với U1/ῳ1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm
cho từ thông khe hở không khí không đổi (Φm = const), từ đó cải thiện được chất
lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến,
khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế.
1
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
Hệ thống truyền động điều khiển Er/ῳ1 = const có thể nhận được đường đặc tính
cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể
thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch
rotor Φm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/ῳ1 = const. Trong
trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ῳ1 = const là mục đích
của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là
khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển
định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens
Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971 và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện
áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong
sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống
điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.
1.2. CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1. Bộ biến đổi này chỉ
dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần
số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá
trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,
còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).
Hình 1. 1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc
song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor (hình 1.2). Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận
ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ
2
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
nhận được điện áp ra xoay chiều U(t). Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển
α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm
việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược. Nếu góc điều khiển α không
thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện
áp đầu ra. Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên
tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm
việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ
thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện áp trung bình bằng
không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần α
từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại
giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp
biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 1.3. Trong đó, tại điểm A có α = 0,
điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc α tăng dần
lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/2 điện áp trung
bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện
bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương
tự như thế.
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực
tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song
song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ. Như vậy, nếu
mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ
3
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
cần tổng cộng tới 36 thyristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một thyristor), nếu dùng loại
sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 thyristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp
tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng
lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tương tự
như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một
chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện
giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các
linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt.
Hình 1. 3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin
Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện
áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất
cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra
giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn
cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực
công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền
bi, lò xi măng .... những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện
bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường
dùng thyristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến
tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi
tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao
4
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ
thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW).
Hình 1. 4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc
của các khâu trong biến tần trực tiếp
Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm
có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần
dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta
có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp
lại công suất cho lưới.
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:
- Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp
- Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá
lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
- Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
5
Chương I Hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng
cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián
tiếp. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần
trực tiếp ở trên.
Hình 1. 5: Thiết bị biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác
nhau, cấu trúc chung được mô tả như hình 1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu chính:
chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà có
thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến tần dùng
chỉnh lưu không điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần
dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung
(PWM).
a. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Bộ biến tần này có cấu trúc như trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện
được biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển
thyristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng
nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể sử dụng các thyristor hoặc transistor.
Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 được thực hiện bằng việc điều khiển góc điều
khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên
quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc
của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp
xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển thyristor nên
khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng
điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường dùng nghịch áp 3 pha bằng
6