Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức cho hệ truyền động điện công suất lớn

là 
nghịch lưu nguồn áp đa mức, mong muốn 
tạo ra điện áp xoay chiều với chất lượng điện 
áp tốt hơn và biên độ lớn hơn. Như đã biết 
cấu trúc chung của bộ nghịch lưu nguồn 
áp đa mức, là có nhiều bộ gồm sáu chuyển 
mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha 
(H.2), để tổng hợp điện áp hình sin từ một 
số mức điện áp, từ nguồn áp của tụ điện, 
từ đó cho phép làm việc với công suất định 
mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ. 
Vì vậy bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức, có 
ưu điểm công suất lớn, điện áp đặt lên linh 
kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao 
do quá trình đóng ngắt linh kiện giảm theo, 
các thành phần sóng hài bậc cao của điện 
áp ra giảm. Đặc biệt là nghịch lưu đa mức 
cầu H nối tầng với khả năng module. Vì vậy 
phạm vi ứng dụng của biến tần đa mức sẽ 
phù hợp mức điện áp ra tăng, sẽ phù hợp với 
truyền động điện xoay chiều với điện áp cao 
và công suất lớn [2],[3],[4],[5],[6] và [7].
Trong sản xuất công nghiệp động cơ 
KĐB-RLS được ứng dụng rộng rãi, do chi 
phí thấp, nhỏ gọn. Động cơ IM được điều 
khiển tựa theo từ thông rotor, bởi vì nguyên 
lý này tạo ra một công cụ cho phép nhìn 
nhận động cơ KĐB-RLS có cùng bản chất 
vật lý (tạo từ thông và mô-men quay) như 
động cơ MC-KTĐL [8], [9]. Trong cấu trúc 
điều khiển FOC (hình 5), khâu điều khiển 
nghịch lưu nguồn áp là khâu trung gian giữa 
bộ điều khiển dòng stator và nghịch lưu, 
cũng là khâu giữ vai trò giao diện giữa thành 
phần cứng (hardware) và mạch nghịch lưu 
(điện tử công suất lớn). Để phù hợp với bộ 
nghịch lưu đa mức, khâu điều khiển nghịch 
lưu nguồn áp được gợi ý 2 phương pháp điều 
chế độ rộng xung PWM, đó là dùng phương 
pháp dịch pha sóng mang (phase-shifted), 
và dịch mức sóng mang (level-shifted). 
Hai phương pháp này, chất lượng điện áp ở 
phương pháp dịch mức sóng mang tốt hơn 
nhiều so với phương pháp dịch pha sóng 
bảng 1. Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
;s su ua b V
Điện áp stator trên hệ tọa độ 
tĩnh (a,β).
;is si a b A
Dòng điện stator trên hệ tọa độ 
tĩnh (a,β). 
;Ls rL H Điện cảm stator, điện cảm rotor 
;Ts rT s Hằng số thời gian stator, rotor
σ Hệ số từ tản toàn phần
; r  rad/s Tốc độ góc cơ, tốc độ góc rotor
' ';s sa b  Wb Từ thông rotor 
p Wb Từ thông cực 
mi A Dòng từ hóa
Lm N.m Mô-men tải
p Số đôi cực
J kg.m2 Mô-men quán tính
Lsd, Lsq H điện cảm dọc trục, ngang trục của stator
carA Biên độ tín hiệu sóng mang
arcf Tần số sóng mang
refA
Biên độ tín hiệu đặt (tín hiệu 
chuẩn)
reff Tần số tín hiệu đặt
Chữ viết tắt
NLĐM Nghịch lưu đa mức
KĐB-RLS Không đồng bộ rotor lồng sóc
IM Induction motor (động cơ KBĐ-RLS)
FOC Field orient control (điều khiển tựa theo từ thông rotor
SPWM Sine pulse width modulation
MC-KTĐL Một chiều kích từ độc lập
20
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng và ctv
mang, thể hiện ở chỉ số phân tích méo dạng 
sóng hài THD (Hình 1). Ở phương pháp 
dịch pha sóng mang, tần số đóng cắt của các 
van ở các cầu H là giống nhau, còn ở phương 
pháp dịch mức sóng mang, tần số đóng cắt 
các van ở các cầu H là khác nhau [1]. Song 
trong nghịch lưu đa mức, dịch pha sóng 
mang là giải pháp phù hợp, vì tính module 
hóa của phương pháp này.
a phương pháp này.
Hình 1. Biểu đồ phân tích THD so sánh giữa 2 
phương pháp dịch pha sóng mang và dịch mức 
sóng mang
Bên cạnh kết quả nghiên cứu điều khiển 
bộ nghịch lưu nguồn áp 7 mức, để chứng 
minh khả năng ứng dụng của bộ biến tần 
đa mức này trong thực tiễn, trong bài báo 
sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu hệ 
truyền động FOC cho động cơ KĐB-RLS 
công suất lớn, với tải có mômen tỷ lệ bậc 2 
với tốc độ (máy bơm, quạt...) và tải có 
mômen cản thế năng (cầu trục, thang máy, 
thang cuốn...). Đây là hướng nghiên cứu 
điều khiển hệ truyền động không đồng bộ, 
kết hợp với bộ nghịch lưu nguồn áp đa 
mức (7 mức), là hướng nghiên cứu mới, 
được nhiều nhà khoa học quan tâm, mục 
đích để tìm ra các cấu trúc điều khiển tối 
ưu cho động cơ KĐB-RLS. Để khai thác 
tiềm năng ứng dụng biến tần đa mức trong 
hệ truyền động không đồng bộ công suất 
lớn, thì bài báo tập trung phân tích, đánh 
giá kết quả đáp ứng của hệ truyền động, 
dòng điện ba pha tại các chế độ vận hành, 
qua mô phỏng Matlab - Simulink.
Hình 2. Cấu trúc bộ nghịch lưu nguồn áp 7 mức 3 pha nối tầng cầu H
21
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 15, Số 2 (2019): 18 - 26
2. Cấu trúc điều khiển
2.1. Cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu 
nguồn áp 7 mức 
Nghịch lưu nguồn áp 7 mức 3 pha (Hình 
2) thực ra là sự ghép nối của 3 sơ đồ 1 pha. 
Đầu ra của bộ biến đổi này là 3 điện áp lệch 
pha nhau 120o, dạng điện áp ra nghịch lưu 7 
mức 3 pha nối tầng cầu H (Hình 3).
2.13 sin( )
3 sin( 2 / 3)
3 sin( 2 / 3)
A
B
C
u E t
u E t
u E t

 p
 p
=
= -
= +
Hình 3. Dạng điện áp ra nghịch lưu áp 7 cấp 3 pha nối tầng cầu H
Để tạo ra điện áp 7 mức, phải có sự phối 
hợp đóng cắt các van trong từng cầu H ở mỗi 
pha. Ở mỗi sơ đồ cầu và tại mỗi thời điểm 
bất kỳ chỉ có 2 van dẫn, 2 van còn lại khóa. 
Việc điều khiển tạo điện áp 3 pha chỉ là dùng 
3 sóng hình sin điều khiển lệch nhau 120° ở 
3 pha. Khi 11 21 12 22 13 23, , , , ,S S S S S S dẫn, thì:
1 2 3h h hU U U E= = = 
Nên 1 2 3 3AN h h hU U U U E= + + = 
Tương tự 31 41 32 42 33 43, , , , ,S S S S S S dẫn,
3ANU E=-
Từ cấu trúc bộ nghịch lưu (Hình 2) và mô 
phỏng (Hình 3), có những nhận xét như sau:
• Điện áp tải cần sử dụng cao, nhưng điện 
áp ra nghịch lưu mỗi cầu lại nhỏ, điều này 
hạn chế được việc các van phải chịu điện 
áp quá cao, hơn nữa vẫn đáp ứng được 
nhu cầu của tải. 
• Điện áp ra nghịch lưu có dạng bậc thang 
nhiều cấp, gần sóng sin hơn nghịch lưu 
cơ bản.
• Tần số đóng cắt nhỏ, thông thường dưới 
1kHz.
• Dòng điện ra có méo dạng thấp, đây là ưu 
điểm lớn nhất của sơ đồ này.
• Phải sử dụng số lượng lớn các nguồn DC 
độc lập.
• Số lượng van đóng cắt cho hệ thống 
nhiều, việc điều khiển các van đóng cắt 
phức tạp, hệ thống linh kiện phụ trợ tăng 
cao khi tăng số mức. Với cấu trúc nối 
tầng cầu H 3 pha 7 mức cần sử dụng 36 
van đóng cắt.
2.2. Phương pháp điều chế độ rộng 
xung PWM dịch pha sóng mang
Theo phương pháp này, để tạo ra điện áp 
có N mức cần (N-1)/2 cầu H. Tất cả các cầu 
H trên cùng 1 pha đều tuân theo 1 sóng sin 
chuẩn. Số sóng mang bằng số cầu H, gồm 
M sóng. Các sóng mang này có đều có cùng 
tần số và cùng biên độ đỉnh. Tuy nhiên có sự 
dịch pha giữa 2 sóng liền kề một góc:
22
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng và ctv
360 / ( 1)cr Nj = ° - (2.2)
Hệ số điều chế tần số mf và hệ số điều chế 
biên độ ma. 
; refcarf a
ref car
Af
m m
f A
= =
(2.3)
Phạm vi bài báo này nghịch lưu 3 pha, điện 
áp ra mỗi pha có 7 mức, số cầu H ở mỗi pha là 
3, do vậy cần sử dụng 3 tín hiệu răng cưa lệch 
nhau 60o ở 3 sơ đồ cầu H mỗi pha (Hình 4).
Hình 4. Điều chế sóng mang theo phương pháp 
dịch pha sóng mang
2.3. Cấu trúc điều khiển FOC cho động 
cơ KĐB-RLS trên tọa độ dq
Phương pháp điều khiển FOC, cho phép 
điều khiển động IM giống như động cơ MC-
KTĐL, bởi vì do phép chuyển đổi tọa độ, đã 
tìm ra hai giá trị dòng điện điều khiển từ 
thông và mômen. Tọa độ dq là tọa độ quay, 
mô hình trạng thái động cơ IM xuất hiện 
thành phần tương tác phi tuyến. Nhưng 
hai đại lượng usd; usq là đại lượng một chiều, 
có chứa ωs. Mô hình trạng thái động cơ IM 
(4.1) [5] và [6]:
(2.4)
(2.5)
 (2.6)
60o
60o
0
0
0
1
1
1
-1
-1
-1
Sóng mang cho cầu H1
Sóng mang cho cầu H2
Sóng mang cho cầu H3
3~
IE
IM
3
2
usausd
usq
isα isu
isq
isd
sje ϑ− isv
isw
sϑ
Đo tốc độ 
quay
isβ
*ω
MHTT
sϑ
(-)
(-)
*
sdi
*
sqi
'*
rd

'
rd


R
R

Nghịch lưu đa mức
Sin PWM
36 
xung
dq
αβ 
αβ 
abc
usb
usc
udc
usα 
usβ 
'
'
'
'
'
' '
'
' '
1 1 1
1 1
1 1 1
1 1
1 1
( )
1 1
( )
sd
sd s sq rd
s r r
rq sd
s
sq
s sq sq rd
s r
rq sq
r s
rd
sd rd s rq
r r
rq
sq s rd rq
r r
di
i i
dt T T T
u
L
di
i i
dt T T
u
T L
d
i
dt T T
d
i
dt T T
σ σ
ω
σ σ σ
σ
ω
σ σ
σ σ
ω ω
σ σ σ
σ
σ σ
ω ω
ω ω
− −
= − + + + Ψ
−
+ Ψ +
− −
= − − + − Ψ
−
+ Ψ +
Ψ
= − Ψ + − Ψ
Ψ
= + − Ψ − Ψ
  
 
 



  
 
 












2
'3 3( x )
2 2
f f m
M p r r p rd sq
r
L
m z i z i
L
= − Ψ = Ψ
' '/ L ; / L ;rd rd m rq rq m s rω ω ωΨ = Ψ Ψ = Ψ − =
 Hình 5. Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor cho động cơ KĐB-RLS với nghịch lưu đa mức
23
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 15, Số 2 (2019): 18 - 26
2.4. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 
stator
Gồm 2 bộ điều khiển PI độc lập, điều khiển 
2 thành phần dòng một chiều isd và isq kết hợp 
với mạch tính điện áp (MTu), có nhiệm vụ 
tính các thành phần điện áp usd và usq từ đại 
lượng đầu ra của 2 bộ PI. Khi tính, bộ RI sử 
dụng các đại lượng biến thiên chậm là từ thông 
rotor ψrd và tốc độ quay. Do hai thành phần 
dòng có tác động lẫn nhau phụ thuộc vào ωs, 
phải tiến hành khử tương tác. Bộ điều khiển 
dòng điện stator được thiết kế như Hình 6.
Hình 6. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện stator
Thông số bộ điều khiển dòng PI được 
tính toán và lựa chọn như sau:
 Kpi = 30; Ti = 0,0247
Bên cạnh đó khi bộ điều khiển dòng điện 
đảm bảo nhanh, chính xác và không tương 
tác, thì bộ điều khiển dòng stator là khâu 
quán tính bậc nhất. Do đó việc thiết kế bộ 
điều khiển tốc độ và từ thông được thực 
hiện đơn giản, ở đây bài báo đưa ra được 
thiết kế bộ điều khiển PI, được tính toán lựa 
chọn như sau:
Bộ điều khiển tốc độ: 
 Kpω = 14; Tiω = 0,3
Bộ điều khiển từ thông
 Kpψ = 14,5; Tiψ = 0,4117
3. Kết quả mô phỏng
bảng 2. Bảng thông số mô phỏng
Thông số động cơ Ký hiệu Giá trị
Công suất định mức Pnom 1 MW
Tốc độ định mức nnom 3000 vg/ph
Dòng điện định mức Inom 165 ARMS
Mômen định mức Mdm 6.10-3 Nm
Điện áp một chiều UDC 4000 V
Số đôi cực zp 1
Điện trở rotor Rr 0,5116 Ω
Điện trở stator Rs 0,6 Ω
Điện cảm rotor Lr 0,0104 H
Điện cảm stator Ls 0,0216 H
Hỗ cảm Lm 0,24 H
Hệ số công suất cosφ 0,9
Hệ số từ tản toàn phần σ 0,07
Hằng số thời gian Tr/Ts (s) 0,4117/0,0247 
Mô-men quán tính J 0,01gm2
3.1. Tải nâng hạ 
constc dmM M= =
Bộ điều khiển triệt dòng điện hoạt động 
tốt, đã triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Dòng từ 
hóa isd cố định, còn dòng tạo momen isq có sự 
thay đổi dao động tại điểm đảo chiều quay 
(Hình 7 và Hình 8).
Hình 7. Đáp ứng dòng điện i*sd và isd
Risq
Risd
2
m
r
L
L
σ sL
σ sL
*
sdi
sqi
*
sqi
sdi
'Ψ rd
sω
sdu
squ_
_ _
RI
24
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng và ctv
Hình 8. Đáp ứng dòng điện i*sq và isq
Tốc độ đã bám đúng theo giá trị đặt, sai 
lệch tĩnh bị triệt tiêu, bộ điều khiển thực 
hiện đúng yêu cầu đảo chiều. Do có mômen 
tải nên ban đầu động cơ sẽ bị kéo ngược lại 
so với giá trị mong muốn (Hình 9, Hình10).
Hình 9. Đáp ứng tốc độ đặt và thực w* và w
Hình 10. Đáp ứng mômen động cơ KĐB-RLS
Bộ nghịch lưu đa mức đã tạo ra đúng 
điện áp mong muốn. Tại thời điểm đảo chiều 
điện áp 3 pha có sự biến động (Hình 11), và 
tại pha a (Hình 12).
Hình 11. Đáp ứng điện áp Ua,b,c
Hình 12. Đáp ứng điện áp Usa
Dòng điện khởi động trong khoảng cho 
phép của động cơ. Dòng điện có dạng hình 
sin (Hình 13).
Hình 13. Đáp ứng dòng điện ia,b
3.2. Tải quạt gió
Với hệ thống tải quạt gió ta nhận thấy bộ 
điều khiển tốc độ và từ thông vẫn cho đầu ra 
bám với giá trị đặt, sai lệch tĩnh bị triệt tiêu 
(Hình 14, Hình 15).
Hình 14. Đáp ứng tốc độ đặt và thực w* và w
Hình 15. Đáp ứng từ thông
25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 15, Số 2 (2019): 18 - 26
Điện áp pha của bộ nghịch lưu giống như 
mong muốn (Hình 16).
Hình 16. Điện áp pha a
Dòng điện có dạng hình sin và giá trị gần 
đúng với tính toán (Hình 17).
Hình 17. Đáp ứng dòng điện pha a 
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu thiết kế, điều khiển bộ 
nghịch lưu nguồn áp 7 mức và ứng dụng bộ 
này cho truyền động KĐB công suất lớn, theo 
nguyên lý tựa theo từ thông rotor, đã mang 
lại kết rất khả quan. Đó là khi bộ điều khiển 
dòng đảm bảo điều kiện nhanh, chính xác và 
không tương tác, thì hệ thống truyền động 
FOC ứng dụng cho tải nâng hạ, quạt gió có 
đáp ứng truyền động tốt, đúng với yêu cầu 
công nghệ. Bên cạnh đó chất lượng đầu ra 
của bộ nghịch lưu 7 mức có chất lượng tốt: 
điện áp ra có dạng bậc (7 bậc) để giảm điện 
áp rơi trên van bán dẫn, tần số chuyển mạch 
thấp, nên tổn thất hệ thống nhỏ. Đây là sự 
gợi mở một hướng nghiên cứu mới cho hệ 
truyền động KĐB, khi bộ điều khiển dòng 
kết hợp với nghịch lưu nguồn áp đa mức. Để 
hoàn thiện mảng tìm ra các cấu trúc tối ưu 
điều khiển động cơ IM.
Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu của bài 
báo cũng là tài liệu tốt, cung cấp phương 
pháp luận tốt giúp cho các kỹ sư vận hành hệ 
thống biến tần đa mức thương mại khai thác 
hiệu quả thiết bị.
Tài liệu tham khảo
[1] Trần Trọng Minh (2007), Giáo trình Điện tử 
công suất, Nhà xuất bản Giáo dục.
[2] Nguyễn Phùng Quang (2015), Điều khiển truyền 
động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Bách 
Khoa Hà Nội.
[3] Bin Wu (2006) “High-Power Converters and AC 
Drives”, Wiley-IEEE Press , Chapter7.
[4] Bose, B.K. (2011), Control and Estimation 
Techniques of High Power Variable Speed 
AC Drives, IEEE Power Electronics Society 
Newsletter, Fourth Quarter 2011, pp. 31-38.
[5] Leonhard W (1996) Control of Electrical Drives, 
2nd edition, Springer.
[6] Nikolaus P. Schibli, Tung Nguyen, and Alfred C. 
Rufer, A Three-Phase Multilevel Converter for.
[7] High-Power Induction Motors, IEEE transaction 
on power electronic, vol 13 no.5, September.
[8] Quang NP, Dittrich JA (2015) Vector control of 
three-phase AC machines – System development 
in the practice. 2nd edition, Springer-Verleg 
Berlin Heidelberg.
[9] Teresa Otowska-Kowalska, Frede Blaabjerg, 
Jose Rodriguez Edition (2014), Advanced and 
Intelligent control in power electronics and 
drives, Springer.
[10] Rodriguez, J., Bernet, S., Wu, B., Pontt, J., and 
Kouro, S. (2007). Multilevel voltage-source 
converter topologies for industrial medium-
voltage drives. IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 54, 
no. 6, pp. 2930-2945, Dec, 2007.
26
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng và ctv
RESEARCH THE APPLICATION OF MULTI LEVEL INVERTERS 
FOR HIGH POWER ELECTRICAL DRIVE SYSTEMS
1Tran Duy Hung, 1Pham Tuan Hai, 2Mai Van Chung, 2Tran Trung Dung
1Military industrial College
2Hung Vuong University
summAry
High power electrical drive systems are used widely in Vietnam and worldwide industrial applications such as: induced draft fan in cement industry, water pumping systems..., the drives are powered by multi level 
inverters which allow low switching losses. The paper presents FOC control of an induction motor fed from 
a 7-level H-bridge inverters applied in pumping/fan and hoisting systems. Simulation results on the drive 
characteristics and stator voltage wave form show the effectiveness of the proposed control structure. 
Keywords: Multi level inverter, high power electrical drive, FOC, 7-level H- bridge inverters.