Đồ Án Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha

Đề số 8: Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều
khiển động cơ xoay chiều ba pha.
Thông số động cơ ba pha :
TT
6

Cơng suất
(kW)
2,2

Điện áp định
mức (VAC)
380

1

Dịng điện
định mức (A)
5,09

Tốc độ định
mức (v/phút)
1400


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

MỤC LỤC
Đề bài………………………………………………………………….. 1

Lời cam đoan………………………………………………………….. 1
Lời cảm ơn…………………………………………………………….. 1
Lời nói đầu…………………………………………………………….. 3
Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu………………………… 6
1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha…………………………….. 6
1.1.1. Tổng quan nguyên lý…………………………………………….. 10
1.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ…………………….. 10
1.1.2.a. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ……………………. 10
1.1.2.b. Điều chỉnh điện trở rôto động cơ không đồng bộ……………… 11
1.1.2.c. Điều khiển công suất trượt……………………………………... 12
1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha…………………………….. 13
1.2.1. Khái niệm………………………………………………………… 13
1.2.2.1. Các mạch phát xung điều khiển đơn giản.................................... 14
1.2.2.1a. Mạch điều khiển dùng dioot-biến trở (D-R)............................... 14
1.2.3. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi............................................................. 15
1.2.4. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi………………………… 16
1.3. Đặt bài tốn…………………………………………………………. 17
Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực……………………………… 17
2.1. Tính tốn, thiết kế mạch lực………………………………………… 17
2.1.1. Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực………………………………… 21
2.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử mạch lực………………………… 22
2.2. Mơ phỏng mạch lực…………………………………………………. 24
SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 2 / 392


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

2.2.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng………………………………………. 24
2.2.2. Kết quả mơ phỏng…………………………………………………. 26
Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển……………………….. 27
3.1. Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển…………………………………. 27
3.1.1. Khâu đồng bộ……………………………………………………… 28
3.1.2. Khâu tạo điện áp răng cưa………………………………………… 30
3.1.3. Khâu so sánh……………………………………………………… 33
3.1.4. Khâu tách xung…………………………………………………… 34
3.1.5. Khâu khuếch đại xung và khâu phân chia xung………………….. 35
3.1.6. Khâu dao động tần số cao………………………………………… 37
3.1.7. Khâu tạo xung chùm……………………………………………… 37
3.1.8. Tính tốn, lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển………….. 38
3.2. Mô phỏng mạch điều khiển…………………………………………..39
3.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng………………………………………… 39
3.2.2. Kết quả mô phỏng…………………………………………………. 41
Kết luận………………………………………………………………….. 43
Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 43
Nhận xét và chữ ký……………………………………………………… 43

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 3 / 393


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu

Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp xoay
chiều giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh được. Để
biến đổi một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần số nhưng có giá
trị khác thì phổ biến nhất là dùng máy biến áp. Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu
gọn, làm việc tin cậy, độ bền cao và nếu điện nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra
cũng có dạng hình sin. Tuy vậy máy biến áp cũng có nhược điểm là khó thực hiện
thay đổi trơn điện áp ra, nhất là trong trường hợp cơng suất trung bình và lớn, điều
này cũng hạn chế khả năng sử dụng máy biến áp trong một số trường hợp. Khi yêu
cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng, đặc biệt là khi cơng suất trung
bình và lớn thì người ta sử dụng một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay
chiều hay BBĐ điện áp pha.
BBD xoay chiều-xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng
cụ bán dẫn có điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tính chất có
điều khiển của các dụng cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của
điện áp nguồn xoay chiều hình sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn
điện áp nguồn. BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm
việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp
công suất. Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằng
máy biến áp, thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả
năng chịu dòng và áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện
áp nguồn hình sin thì điện áp ra khơng cịn dạng hình sin nữa.
Các BBĐ xoay chiều - xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp
như sau:
- Để điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công suất nhỏ
bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stato của động cơ.
- Khởi động các động cơ xoay chiều không đồng bộ rơ to lồng xóc cơng suất
trung bình và lớn.
- Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi có yêu cầu điều chỉnh
trơn điện áp ra, ví dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn điện cao áp cấp cho lò tần
số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực.

1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha
*Khái niệm:
- Máy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo
nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của rotor n khác với tốc độ quay từ
trường (n1). Máy điện khơng đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) với
lưới điện tần số không đổi, dây quấn rotor (thứ cấp). Dòng điện trong dây quấn
rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào rotor,
nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy.
- Cũng như các máy điện khác, máy điện khơng đồng bộ có tính thuận nghịch,
có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện. Có nhiều
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 4 / 394


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

tiêu chí để phân loại máy điện không đồng bộ:
1. Theo kết cấu của vở máy, máy điện KĐB chia thành các kiểu chính sau: kiểu hở,
kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phịng nổ.
2. Theo kết cấu của rotor, máy điện KĐB chia thành hai loại: Loại rotor kiểu dây
quấn, loại rotor kiểu lồng sóc.
3. Theo số pha trên dây quấn stator: Một pha, hai pha và ba pha.
*Cấu tạo:

hình1.1Cấu tạo động cơ khơng đồng bộ
* Phần tĩnh (stator)
- Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cịn có vỏ máy

và nắp máy.

Hình 1.1aStator máy điện khơng đồng bộ
a, Lõi thép:
Lõi thép stator có dạng hình trụ (hình1.1a), làm bằng các lá thép kỹ thuật điện,
được dập rãnh bên trong (hình 1.1a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo
hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
b. Dây quấn stator:
Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong
các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha
stator sẽ tạo nên từ trường quay.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 5 / 395


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

hình1.1b: Dây quấn stator
c. Vỏ máy:
Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang (Hình1.1c) Có tác dụng bảo
vệ và cố định các bộ phận bên trong như dây quấn, trục máy, rotor.

Hình1.1c:vỏ máy
* Phần quay (Rotor)
- Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Rotor là phần quay
gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
a. Lõi thép:

Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi
thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh (hình 1.1d) đẽ đặt dây quấn, ở giữa có dập
lỗ để lắp trục.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 6 / 396


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình1.1d: Lõi thép rotor
b. Trục
Trục của máy điện khơng đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép rotor.
c. Dây quấn rotor
Dây quấn rotor của máy điện khơng đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch cịn
gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

Hình1.1e: Rotor lồng sóc
- Rotor lồng sóc (hình 1.1e) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh
và bị ngắn mạch bổi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn
rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vòng ngắn mạch, cánh tản nhiệt và
cánh quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng
được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch. Rotor dây quấn
(hình1.1e) cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như
dây quấn stator. Dây quấn kiểu này ln ln đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu. vào
ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố
định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm

ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 7 / 397


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

1.1.1. Tổng quan nguyên lý
Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f1 vào dây quấn stator, trong dây
quấn stator sẽ có hệ thống dòng 3 pha chạy qua, dòng điện này sẽ tạo ra từ trường
quay p đôi cực, quay với tốc độ n1 = 60f1/p. Từ trường quay quét qua các thanh dẫn
của dây quấn rotor, cảm ứng trong dây quấn một sức điện động. Dây quấn rotor
khép kín mạch (ngắnmạch) nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện chạy
trong các thanh dẫn rotor. Lực điện từ do trường quay của máy tác động vào dòng
điện chạy trong thanh dẫn rotor, kéo rôto quay với tốc độ n cùng chiều với từ
trường quay và n < n1. Từ trường quay tốc độ n1 có chiều thuận kim đồng hồ.
Thanh dẫn chuyển động tương đối với từ trường tốc độ n1 ngược chiều kim đồng
hồ. Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều của sức điện động cảm ứng trong các
thanh dẫn. Mạch rotor nối tắt, trong thanh dẫn có dịng điện trùng chiều với sức
điện động. Theo qui tắc bàn tay trái, xác định chiều của lực điện từ, tác động vào
thanh dẫn (hình 5.11). Lực điện từ cùng chiều với chiều quay của từ trường, rotor
quay theo từ trường với tốc độ n. Tốc độ rotor của máy n luôn nhỏ hơn tốc độ từ
trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì khơng có sự chuyển động tương đối,
trong dây quấn rotor khơng có sức điện động và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ
bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor gọi là tốc độ
trượt n2:
n2 = n1 – n (vg/ph)

Hệ số trượt của tốc độ là:
trong đó Ω1 = 2πn1 và Ω = 2πn là tốc độ góc của từ trường quay và của rotor. Khi
rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi rotor quay định mức s = 0,02 ~
0,05. Tốc độ động cơ là:
n = n1(1-s) = 60f1/p. (1-s) vg/ph
1.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
1.1.2.a. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
Kết quả phân tích trên cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp stato U1 đến các
thông số đầu ra của động cơ như dịng điện I1, I2, mơmen, tốc độ và dạng đặc tính
cơ điều chỉnh. Vì vậy từ các biểu thức ở trên về động cơ KĐB ta thấy dòng điện
động cơ phụ thuộc tỷ lệ với điện áp U1, mơmen tỉ lệ bình phương với U1, cịn độ
trượt tới hạn khơng thay đổi khi điều chỉnh điện áp:
Dịng điện ngắn mạch: Inm.U = Inm.U1 *
Mơmen ngắn mạch (khởi động): Mnm.U = Mnm.U1 *2
Mômen tới hạn: Mth.U = Mth.U1 *2
Độ trượt tới hạn: Sth = const
Trong đó, U1 * = U1/Uđm là giá trị tương đối của điện áp stato; Inm, Mnm,
Mth là các thông số tương ứng với các đặc tính tự nhiên của động cơ.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 8 / 398


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình 1.1.2aĐiều khiển động cơ khơng đồng bộ bằng điện áp stato: a) Sơ đồ nguyên
lý; b) họ đặc tính cơ khi R0 = 0 (động cơ rơto lồng sóc); c) Họ đặc tính cơ khi R0 ≠

0 (động cơ rôto dây quấn).
1.1.2.b. Điều chỉnh điện trở rơto động cơ khơng đồng bộ
Có thể nêu một nhận xét tổng quát rằng: phương pháp điều khiển động cơ
không đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ mạch rơto hồn tồn tương đồng
với phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng điện trở
phụ mạch phần ứng cả về dạng sơ đồ nối dây, họ đặc tính, các chỉ tiêu chất lượng và
ứng dụng.
a. Sơ đồ nguyên lý:
- Một hệ điều khiển 2 cấp điện trở phụ và họ đặc tính cơ như trên hình 1.1.2b.
Theo kết quả phân tích ở phần trên khi Rf thay đổi ta có:
Mơmen tới hạn của động cơ:
Độ trượt tới hạn:
Tốc độ không tải lý tưởng: (2 f ) / p const 0 ω = π = ; trong đó R2t = R2+Rf
điện trở trong mạch rơto.

Hình1.1.2b1:Điều khiển động cơ không đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ
trong mạch rôto; a) sơ đồ nguyên lý; b) họ đặc tính cơ
- Nếu truyến tính hóa đoạn đặc tính cơng tác trong phạm vi phụ tải từ 0 ÷ Mc=
Mđm, ta có biểu thức gần đúng:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 9 / 399


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

trong đó, sc độ trượt tại Mc = Mđm và cũng chính là độ sụt tốc tương đối ∆ ωc *
trên đường đặc tính đang xét với Mc = Mđm.

- Lúc đó, đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ khi Rf = var hồn tồn trùng
hợp với họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh
Rfư, với độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo:
Khi tăng điện trở phụ Rf, độ cứng đặc tính cơ βR giảm, do đó điều chỉnh được tốc
độ làm việc và mơmen ngắn mạch của động cơ.
b. Điều chỉnh tốc độ Do độ cứng của các đặc tính điều chỉnh thấp, nên sai số tốc độ
lớn, mômen quá tải nhỏ và dải điều chỉnh thường khơng vượt q 2:1. Đặc tính
mơmen q tải cho phép Mt.cp= f( ω ) của phương pháp điều chỉnh tốc độ này có
thể xác định khi chọn I2 = I2đm ta có:
Như vậy đặc tính này cũng tương tự như của động cơ một chiều khi điều khiển
bằng điện trở phụ phần ứng, nghĩa là phương pháp điều chỉnh đang xét sẽ tích hợp
với loại phụ tải cần trục (mc = const). Để tăng chất lượng điều chỉnh, người ta sử
dụng một loại biến trở xung và một loại biến trở tự động có thể điều khiển nhờ khóa
đóng cắt bằng điện tử. Tuy nhiên sơ đồ gốc như trên hình 1.1.2b1 vẫn được ứng
dụng để điều khiển các động cơ rôto dây quấn
1.1.2.c. Điều khiển công suất trượt
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB ba pha bằng cách
làm mềm đặc tính và để ngun tốc độ khơng tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs =
s.Pđt được tiêu tán trên điện trở mạch rôto. Ở các hệ thống TĐĐ điện tử cơng suất
lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa
tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất
trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng,
dưới đây trình bày phương pháp nối tầng điện dùng thyristor như hình 3.21a). Theo
cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:
Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rotor được biểu diễn trên hình 1.1.2c
trong đó Pbđ là cơng suất được trả về lưới điện, ΔPbđ là tổn hao trong mạch biến
đỏi công suất trượt thành cơng suất điện có cùng tần số và điện áp lưới.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 10 / 3910


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình1.1.2c: Hệ thống nối tầng van. a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ năng lượng; c)
Đồ thị dòng và áp khi fr = fs3; d) Đặc tính hệ điều chỉnh cơng suất trượt.
Sức điện động rơto ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng
lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA,
uB, uC) có biên độ và tần số không đổi đo được xác định bởi điện áp và tần số của
lưới điện. Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển α thay đỏi từ 900 đến khoảng
1400 , phần còn lại dành cho góc chuyển mạch μ và góc hồi phục tính chất khố δ
của van bán dẫn.
Độ lớn dịng điện rơtor phụ thuộc hồn tồn vào mơmen tải của động cơ mà
khơng phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu - nghịch lưu
phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc ta của dịng điện ở phía xoay chiều của nghịch
lưu khi điều chỉnh góc mở α. Qúa trình dịng điện và điện áp của bộ biến đổi được
mơ tả trên hình 1.1.2c cho trường hợp độ trượt s = 1/3. Giá trị trung bình của điện
áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau và ta có Udr = Udn = Ud.
Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp
trên điện kháng lọc L.
1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha
1.2.1.Kái niệm:
Cũng như BBĐ xoay chiều-một chiều, trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều ta
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 11 / 3911

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

cũng sử dụng các van bán dẫn có điều khiển. Vì vậy để cho BBĐ có thể làm việc
theo yêu cầu thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho các van. Dù là
sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac thì trong một chu
kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch nhau một góc độ điện là
1800 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha.
Do vậy về lý thuyết thì có thể sử dụng tất cả các mạch phát xung điều cho bộ chỉnh
lưu hình tia 2 pha để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều một
pha,và mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể dùng để phát xung
điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều 3 pha.Tuy nhiên cũng cần lưu ý:
Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũng quan
trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm. Nhưng đối với BBĐ xoay chiều-xoay
chiều thì xung điều khiển các van, đặc biệt là của hai van song song ngược trong
cùng một pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị chỉ làm việc được với nguồn
cung cấp xoay chiều, ví dụ như các động cơ điện xoay chiều hoặc các máy biến
áp,..., địi hỏi có độ đối xứng rất cao. Đó là vì khi góc điều khiển của 2 van trong
cùng một pha khơng hồn tồn giống nhau thì trong đường cong điện áp trên tải sẽ
xuất hiện thành phần một chiều. Mặt khác tổng trở phụ tải đối với thành phần điện
áp một chiều là rất nhỏ do vậy thành phần dòng một chiều qua tải sẽ rất lớn. Điều
đó ảnh hưởng đến sự làm việc của phụ tải và BBĐ, tăng tổn thất phụ và khi sự
khơng đối xứng của tín hiệu điều khiển vượt quá một giá trị nhất định nào đó (phụ
thuộc trường hợp cụ thể) thì BBĐ sẽ khơng làm việc được nữa.
1.2.2.1. Các mạch phát xung điều khiển đơn giản
1.2.2.1a. Mạch điều khiển dùng dioot-biến trở (D-R)
Ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùng
điơt-biến trở như hình 4.8.Trong sơ đồ này thì T1,T2 là 2 thyristor động lực, mạch

điều khiển các van của BBĐ gồm các điôt D1, D2, D3, D4, các diện trở R1,R2 và biến
trở WR.
- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :
Từ đặc tính V-A của tiristor ta thấy rằng: Khi giữa anôt và katôt của tiristor đang
được đặt một điện áp thuận nào đó, nếu ta đặt vào điện cực điều khiển và katôt của
nó một điện áp điều khiển có giá trị từ một trị số nhất định nào đó trở lên thì tiristor
sẽ chuyển từ khoá sang mở. . Giá trị điện áp điều khiển nhỏ nhất có thể làm
mở tiristor khi có một trị số điện áp thuận được gọi là điện áp điều khi ển
yêu cầu đối với trị số điện áp thuận đó và ta ký hiệu là u đkTyc. Vậy khi trên van
có một điện áp thuận nào đó thì nếu có điện áp điều khiển u đk ≥ uđkTyc đối trị
số điện áp thuận đó thì van sẽ mở, cịn nếu có điện áp đi ều khi ển nh ưng u đk<
uđkTyc thì van khơng mở. Điện áp thuận trên van thay đ ổi thì giá tr ị u đkTyc cũng
thay đổi theo: Điện áp thuận trên van tăng thì giá trị điện áp đi ều khi ển yêu
cầu giảm,nếu điện áp thuận trên van có dạng nửa hình sin thì đồ th ị u đkTyc có
dạng như trên. Để đơn giản cho việc xét nguyên lý làm việc của s ơ đ ồ ta t ạm
giả thiết là điện áp điều khiển yêu cầu không phụ thuộc vào trị số điện áp
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 12 / 3912


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

thuận trên van (như hình 4.9b). Giả thiết như vậy tuy không phù h ợp v ới
thực tế nhưng không ảnh hưởng đến nguyên lý làm việc của sơ đồ nên có th ể
chấp nhận được trong trường hợp này. Ta chọn mốc xét ωt=0 là thời điểm
ung=0 và bắt đầu chuyển sang dương, giả thiết tải thuần trở. V ậy tại ωt=0 thì
dịng tải cũng bằng khơng, lúc đó van T2 vừa khố và T1 bắt đầu có điện áp

thuận, nếu T1 chưa mở thì qua D2-WR-R1-Rt (đã giả thiết Zt=Rt) sẽ có một
dịng điện do nguồn cung cấp tạo nên và dòng điện này gây nên trên R 1 một
sụt điện áp mà điện áp này sẽ được đưa qua D1 đến điện cực điều khiển của
T1. Vậy nếu bỏ qua sụt áp trên D1 mở thì ta có uđkT1=uR1.
Từ đồ thị ta thấy khi ψ > ωt ≥0: uđkT1 < uđkTyc và T1 chưa mở, tại ωt=ψ thì
uđkT1= uđkTyc, van T1 bắt đầu mở và sẽ dẫn dịng cho đến ωt=π. Tại ωt=π thì
ung=0 và bắt đầu đổi dấu nênT1 khoá lại ,van T2 bắt đầu được đặt điện áp
thuận,nếu T2 chưa mở thì lúc này qua tải (Rt)-D4-WR-R2 sẽ có dịng điện do
nguồn cung cấp tạo nên. Sụt điện áp trên R2 bởi dòng điện này sẽ được
truyền qua D3 đến điện cực điều khiển T2 và nếu bỏ qua điện áp trên D3 mở
  uđkT 1 = uR1 = ung .R1 / ( R1 + WR + Rt ) »ung .R1 / ( R1 + WR )  vì  Rt << WR và Rt << R1.
 

thì :

  uđkT 2 = uR 2 = −ung .R2 / ( R2 + WR + Rt ) » − ung .R2 / ( R2 + WR ) vì Rt << WR và ut << R2 .
uđkT 2 » − ung .R1 / ( R1 + WR ) .

Mặt khác do R1=R2 nên
Vì vậy mà trong khoảng π+ψ>ωt≥π thì uđkT2< uđkTyc nên T2 vẫn chưa
mở,cho đến ωt=π+ψ thì uđkT2= uđkTyc và T2 bắt đầu mở và dẫn dòng cho đến
ωt=2π. Trong các chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương t ự. Cả 2 van trong s ơ
đồ đều mở với một giá trị góc điều khiển là ψ như nhau. Từ nguyên lý hoạt
động đã nêu kết hợp với đồ thị hình 4-9 ta thấy rằng có th ể thay đ ổi góc đi ều
khiển ψ bằng cách thay đổi biên độ của điện áp tính theo biểu th ức: u ng.R1/
(R1+WR) . Để thực hiện người ta thường thay đổi giá trị biến tr ở WR. V ới
mạch điều khiển này thì góc điều khiển tối đa ψmax=π/2. Như vậy mạch điều
khiển nay không dùng được cho trường hợp BBĐ làm việc v ới ph ụ t ải thu ần
cảm (ngay cả những trường hợp điện cảm lớn thì cũng khơng nên s ử d ụng vì
lúc đó phạm vi thay đổi của góc điều khiển ψ rất hẹp.

1.2.3. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 13 / 3913


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

1.2.4. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi
*Các yêu cầu khởi động động cơ:
Đối với một động cơ, công việc mở máy cần đạt được các yêu cầu sau:
- Momentt mở máy càng lớn càng tốt hoặc đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ
của tải.
- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Tổn hao cơng suất trong q trình mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng nên đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
*Các phương pháp mở máy:
a/ Phương pháp “Khởi động cứng”:
- Mở máy trực tiếp thơng qua các thiết bị đóng cắt như: cầu dao, khởi động từ
….
b/ Phương pháp “Khởi động mềm”:
- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 14 / 3914

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

*Lựa chọn phương án:
So sánh ưu và nhược điểm của hai phương án khởi động động cơ không đồng bộ
trên, kết hợp với thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay của nước ta và do số liệu của
động cơ, đề án này xin chọn phương án khởi động mềm để khởi động cho động cơ
mà cụ thể là phương pháp “Điều áp xoay chiều ba pha” dùng 6 thyristor đấu theo
kiểu song song ngược vì đây là phương pháp thơng dụng nhất hiện nay và có giá
thành thấp trong khi yêu cầu chì cần khởi động mềm cho động cơ.
1.3. Đặt bài toán
-Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều 3 pha điều khiển
động động cơ xoay chiều 3 pha. Biết công xuất P=1,5 Kw, điện áp định mức
Ud=380 VAC, dòng điện định mức Id=3,72 A ; tốc độ định mức nđm=1400 v/phút

Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực
2.1. Tính tốn, thiết kế mạch lực
a- Giới thiệu mạch lực:
- Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hay thay đổi điện áp
xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng
tần số điện áp nguồn.
- ĐAXC dùng valve bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch cơng suất sử
dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản
ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn
và dễ thay thế, thích hợp vớ q trình hiện đại hóa, tập trung hóa các q trình
cơng nghệ….
- Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong
toàn dải điều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độ méo càng

lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao cũng càng lớn. Nhưng vì phạm vi của đề án
này là khởi động động cơ, thời gian khởi động chỉ trong khoảng 3 ÷ 30s và tải là
động cơ bơm nên ta có thể chấp nhận được phương án này.
- Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên valve bán dẫn ở đây có thể dùng là:
• TRIAC, đây là valve bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai
chiều. Tuy nhiên loại valve này thường có cơng suất nhỏ và giá thành tương
đối cao.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 15 / 3915


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

• Ghép hai valve chỉ cho phép dẫn một chiều bằng cách đấu song song ngược
nhau, lúc đó mỗi valve đảm nhận một chiều của dịng tải. Bằng cách này có
thể ghép hai thyristor với nhau hay một thyristor với một diode. Trong đề án
này, ta chọn theo phương pháp là ghép 6 thyristor theo kiểu song song ngược
và đây cũng là phương pháp thông dụng nhất hiện nay.
- Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của valve bán dẫn.
Các valve làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp
nguồn và cũng chịu ảnh hưởng của lưới điện đến valve, kiểu điều khiển valve là
dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều
khiển xung - pha.

b- Hoạt động của mạch:
- Mạch hoạt động theo quy luật chung:
• Trường hợp 3 valve dẫn: Mỗi pha có 1 valve dẫn => Utải = Unguồn.

• Trường hợp 2 valve dẫn: Có 2 pha có valve dẫn và 1 pha khơng valve nào dẫn
=> điện áp pha tải = ½ điện áp dây nguồn và có 1 pha khơng có điện áp.
• Trường hợp khơng có valve dẫn: Tồn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (Utải = 0).
- Các trường hợp dẫn của valve phụ thuộc vào góc điều khiển α. Gồm 3 vùng
điều khiển:
• 0o > α > 60o:

- Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp
nhau đó là 3 valve dẫn → 2 valve dẫn.
Giai đoạn 3 valve dẫn dài 60o ÷ α, giai
đoạn 2 valve dẫn bằng chính α.
- Góc dẫn của valve λ = (180o – α), valve
ngắt khi điện áp pha nguồn = 0.

- Gía trị hiệu dụng của dịng điện
áp ra tải

SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 16 / 3916


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

• 60o > α > 90o:

- Vùng điều khiển này ln chỉ có 2 valve
dẫn và khơng phụ thuộc vào góc điều

khiển α.
- Valve trong cùng nhóm (chẳn hoặc lẽ)
thay nhau dẫn, valve sau mở thì valve
trước mới khóa lại. Lúc đó góc dẫn của
valve λ = 120o.
- Điện áp ra tải khơng cịn đoạn bằng điện
áp nguồn mà chỉ có thể = ½ điện áp dây.
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

• 90o > α > 150o:

- Trong vùng điều khiển này có 2 trạng
thái thay thế nhau là 2 valve dẫn và
không valve nào dẫn.

SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

- Valve khơng dẫn liên tục mà dẫn
thành 2 giai đoạn xen giữa một
khoản nghỉ.
- Valve ngắt dòng mỗi khi điện áp
dây nguồn về 0V.
Trang 17 / 3917


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

2.1.1. Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực
TT
6

Cơng suất
(kW)
2,2

Điện áp định
mức (VAC)
380

Dòng điện
định mức (A)
5,09

Tốc độ định
mức (v/phút)
1400

Dòng điện mỗi pha phụ tải:

Điện trở pha của tải :

-chọn van :
Chọn chỉ tiêu dòng van dựa vào trụ số trung bình (theo bảng 2.2 –h ướng dẫn
thiết kế điện tử cơng suất) ta có:
1,50435 (A)
Vậy cần chon thyristor với trị số dịng điện cỡ:

SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 18 / 3918


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Chỉ tiêu điện áp ( bảng 2.2 ) :

Vậy chọn thyristor chịu được điện áp khoảng :
= 933,38 (V)
Từ các thông số trên ta chọn được van thyristor ( ph ụ lục 2 sách thiết k ế
điện tử công suất ) T10-10 với thông số :
Un

I tb

Ig

Ug

1200

10

3

(V)

(A)

0,07
5 (A)

(V)

Ir

3

du dt

di dt

t ph

200

40

70

(mA (V/ µs )
)

(A/

µs

)

(

µs

)

Hình 2.1 thơng s ố thyristor
-Ta có cách đấu của mạch lực này là 6 thyristor đấu song song ngược chiều
2.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử mạch lực
* Lựa chọn thiết bị bảo vệ
Chọn độ dự trữ điện áp , điện áp tối đa cho phép đặt lên

van khi hoạt

động là:

- Bảo vệ q dịng
Vì van được mắc trực tiếp vào lưới điện mà khơng qua biến áp do đó
cần phải có cuộncảm để bảo vệ cho van trong trường h ợp quá dòng.
Tốc độ di/dt sẽ lớn nhất khi dòng qua van là cao nh ất. Gi ả s ử đi ện áp
lưới không ổn định mà dao động trong khoảng ±10%, v ậy lúc này sẽ
tương đương:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 19 / 3919

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

= (v)

Hình 2.2 : mạch bảo vệ dịng thyristor
-

Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor

Tốc độ tăng dòng cho phép phụ thuộc vào điện áp đặt lên van và chỉ đúng với trị số
tra cứu nếu điện áp trên van khi làm việc nhỏ hơn 67% điện áp lớn nhất cho phép.
Trường hợp này điện áp lớn nhất khi làm việc
342,2 (v) điện áp tối đa được đặt trên van 1200 (v) có quan hệ là :

Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt= 40 (A/s)
Từ đó ta có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng :

Ta chọn đc La = 10
- Bảo vệ quá áp

Hinh 2.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor
Hệ số quá áp khi làm việc:
Tra đồ thị 1.22 với k = 2,34 có C* = 0,13;
Dịng qua tải, cũng chính là dịng qua van, có giá trị tức thời lớn nhất bằng:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 20 / 3920

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

- Suy ra tốc độ giảm dịng nhanh nhất khi van khóa lại:
)
- Dùng đồ thị hình 1.28 sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, ta có điện tích
tích lũy trong van là: Q=45Avậy:
- Tụ C
Chọn C =0,99nF
Tính R

Vì , cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 4
2.2: mô phỏng mạch lực
2.2.1: xây dựng mơ hình mơ phỏng

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 21 / 3921


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình ảnh mơ phỏng mạch lực trên Psim

Hình ảnh mơ mạch lực trên matlab

2.2.2: kết quả mơ phỏng
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 22 / 3922


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Kết quả mô phỏng mạch lực trên Psim

Kết quả mơ phỏng mạch lực trên matlab
Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch mạch điều khiển

SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 23 / 3923


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

3.1: Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển
-

Nhiệm vụ của từng khâu :

Khâu đồng bộ:

định điểm gốc để tính góc điều khiển α, gọi là mạch đồng pha.
+ Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp van lực nhằm xác
thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo
điện áp tựa sau đó, gọi là mạch đồng bộ hay mạch xung nhịp.
Thực tế khâu này có quan hệ ảnh hưởng qua lại chặt chẽ với khâu tạo điện
áp tựa, nên trong một số trường hợp đơn giản, 2 chức năng trên được gộp
lại trong 1 mạch duy nhất , thông thường mạch đồng pha làm luôn chức
năng đồng bộ.
- Khâu tạo điện áp tựa: có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (thường là dạng
điện áp răng cưa tuyến tính).
- Khâu so sánh: có nhiệm vụ là so sánh giữa điện áp tựa với điện áp
điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk =
Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra.
- Khâu tạo xung và khuếch đại xung: có nhiệm vụ tạo ra xung phù hợp
để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc
thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung
điều khiển ( thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ
nhật ); độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor; đủ công
suất; cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực.
-

Thyristor chỉ được mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp
dương đặt lên cực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển,
sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển khơng cịn tác dụng nữa, dịng
điện chạy qua Thyristor do thơng số của mạch động lực quyết định và
Thyristor sẽ khóa khi dịng điện chạy qua nó bằng 0, muốn mở lại ta phải
cấp xung điều khiển lại.
Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều
khiển mà ta có thể khống chế được dịng điện Thyristor. Để thực hiện
được các đặc điểm này ta có thể dùng 2 nguyên tắc sau:

- Nguyên tắc điều khiển ngang.
- Nguyên tắc điều khiển dọc.
Hiện nay điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu, người ta
thường dùng nguyên tắc điều khiển dọc, nên em sử dụng phương pháp này
để thiết kế mạch điều khiển.
* Yêu cầu chung của mạch điều khiển:
- Phát xung điều khiển đến các valve lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc
điều khiển α cần thiết.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 24 / 3924


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

- Đảm bảo phạm vi điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện
áp ra tải của mạch lực.
- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải u
cầu.
- Góc điều khiển mọi valve khơng được lệch quá (1 ÷ 3)o điện.
- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động
cả về giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu cơng nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các valve phù hợp để mở chắc chắn valve.
* Sơ đồ khối mạch điều khiển:
- Nguyên tắc điều khiển dọc:

Sơ đồ cấu trúc điều khiển dọc
3.1.1. Khâu đồng bộ :

- Hoạt động: Khâu ĐB thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so
với điện áp lực. Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa,
đơi khi có dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb. Khâu so sánh (SS)
xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung DX.
Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở valve hay góc điều khiển
thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 25 / 3925