ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ

Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1 PHA THEO
PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ

Giảng viên hướng dẫn

: Đỗ Công Thắng

SV thực hiện đồ án

: 1. Hoàng Huy Huynh - 12220368
2. Phạm Đức Hải - 12220357

Lớp

:

122201.5

Năm học : 2022-2023

Đề tài : Thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ theo phương pháp
điều chỉnh tần số

GVHD: Đỗ Công Thắng

1


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

Yêu cầu :
- Dải điều chỉnh tốc độ : (0,1 đến 1) n
đm

- Tham số động cơ 1 pha P = 370w tại xưởng thực tập
- Có bảo vệ quá tải và ngắn mạch
- Nguồn vào 12vDC

GVHD: Đỗ Công Thắng

2


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Hưng Yên, Ngày.....Tháng....Năm 2021
Giáo viên hướng dẫn
Đỗ Công Thắng

GVHD: Đỗ Công Thắng

3

Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử cơng suất đã và đang đóng một vai trị rất quan trọng trong q
trình cơng nghiệp hố đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống
truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự
động hố cho các q trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử
công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với
các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ ...
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng em
đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ 1 pha theo
phương pháp điều chỉnh tần số”
Với sự hướng dẫn của thầy Đỗ Công Thắng, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và
thưc hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên
khơng tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cơ đóng góp ý kiến để đề tài của chúng em
được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm sinh viên thực hiện :
Hồng Huy Huynh
Phạm Đức Hải

GVHD: Đỗ Cơng Thắng

4


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

MỤC LỤC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO..............................................................................1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN..................................1
KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ.....................................................................................1
..................................................................................................................................1
ĐỒ ÁN.....................................................................................................................1
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1 PHA THEO
PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ.......................................................................................1
..................................................................................................................................1
..................................................................................................................................1
Năm học : 2022-2023..............................................................................................1
MỤC LỤC......................................................................................................................5
CHƯƠNG I : ĐỘNG CƠ 1 PHA...................................................................................6
1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều............................................................6
1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ..............................................................6
1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha..................................................................11
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ................................14
a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ...................................................15
b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor...............................................................15
c. Điều khiển điện trở mạch rotor...........................................................................15
d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ....................................16
2.1. Biến tần áp.............................................................................................................19
2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần........................................................................19

Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp...........................................................................19
2.2 Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa...............23
a) Sơ đồ nguyên lý..................................................................................................23
b) Nguyên lý làm việc............................................................................................23
2.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H....................................................23
b) Ngun lý làm việc............................................................................................24
c) Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch.........................................................25
2.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha...................................................................26
a) Sơ đồ nguyên lý..................................................................................................26
b) Nguyên lý làm việc............................................................................................26
c) Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch.........................................................27
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA.............28
Sơ đồ khối tồn mạch...................................................................................................28
......................................................................................................................................28
3.1.Tính chọn máy biến áp 1 pha tần số 50Hz.............................................................28
3.2.Mạch động lực........................................................................................................31
3.2.1 MOSFET công suất IRF 3205.......................................................................31
................................................................................................................................34
GVHD: Đỗ Công Thắng

5


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

3.3.1 Sơ đồ chân.....................................................................................................34
3.3.2. Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển...............................................36
3.4.Mạch cách ly..........................................................................................................38

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC TẾ..........................................................................42

CHƯƠNG I : ĐỘNG CƠ 1 PHA
1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều
1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp
và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động
cơ khơng đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử
dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền động có điều
chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ rất nhỏ do khó
khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần đây với sự phát triển
như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không đồng bộ đã được khai thác
triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay thế cho động cơ điện một chiều
trong các hệ truyền động.

hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

GVHD: Đỗ Công Thắng

6


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phần cảm
(stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện với
lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây quấn và rotor
lồng sóc. Động cơ khơng đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu giống như dây quấn

stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor

GVHD: Đỗ Công Thắng

7


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor để
cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của
máy. Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với dây quấn
stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay
nhơm được nối với nhau bằng vịng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc khơng cần
cách điện với lõi sắt.
Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta đưa
dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ khơng đồng bộ thì trong
dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1.

trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này sẽ
quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng e 21. Khi
dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dịng điện I 2. Từ thơng do
dịng điện stator và dịng điện rotor tạo nên đó là từ thơng khe hở khơng khí giữa
stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thơng này và dịng điện rotor tạo ra mơmen
quay Mq. Nếu mơmen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc là mômen cản).
Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n ln nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay
n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để đánh giá sự
khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s.

s=

n -n
1

n
1

Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n 1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ động
cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor với n > n 1
do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng ngược chiều
từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ

hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện khơng đồng bộ có

GVHD: Đỗ Công Thắng

8


Khoa Điện_Điện Tử

ĐH SPKT Hưng Yên

thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau:

Người ta chia động cơ khơng đồng bộ làm hai loại chính là: động cơ rotor
dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, có
đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng sóc lại khơng

được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của
kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển
phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do ấy động cơ khơng đồng bộ
rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách rộng rãi trong các hệ truyền động
công nghiệp.
Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ
Ta có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator:
.

.

U 1 =-E1+I1

( r1 + jx1 )

(1.1)

Trên dây quấn rotor:
.

.

,

0 = -E2-I2

( r2 /s + jx2 )

. , .

E2=E1
.

.

,

(1.2)

.

I1 + I 2 = Io
.

.

E 1 = − I o zm
’

r1 và r2 là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạch
stator;
x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về
mạch stator;
5

GVHD: Đỗ Công Thắng

9

rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, x m là điện
kháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor;
Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của
động cơ khơng đồng bộ:

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
Công suất điện từ và mô men điện từ

Pdt = P1 − p Cu1 − p

Fe

= m 1 ( I'2 ) 2 r2' /s

Pco = Pdt − p Cu2 = m 1 ( I '2 ) 2 r2' ( 1 − s )/s
Mô men điện từ của động cơ:

P
m 1 U 2 pr ' /s
dt
1
2
'
2
M = w = 2ππ [(r + r /s) + (x + x '
s

s1

2

)2

(1.3)

12

Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ω = f(M)
Từ phương trình mơ men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đường đặc
tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mơ men của động cơ như hình vẽ
sau:
ω

s=0

sth

n= 0

Mt

Mth


Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ
Đường đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ đạt cực đại tại điểm có:

s

r2'

r 2 + (x + x ' ) 2

=

th

1

1 2

3U2
2

1

Mth = 2ω (r + r + (x +x' )2 )
s 1

1

1 2

2M th (1 + as th )
(1.4)
s
th
s
+ 2as th
s +
th

s

⇒ M=

với a = r1/r2.
Đối với động cơ có cơng suất lớn r1<nghĩa là r1 = asth= 0 suy ra:
s

th

=

⇒M =

r'
x + x'

th

2

2ω

12

3U2

)

(x + x'

1

s 12

⇒

M

2M

=

+

s

s

th

th

s

th

(1.5)

s

1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng cụ,
thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát đến vài
trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ

7


khơng đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi
động. Rôto động cơ khơng đồng bộ một pha thường là lồng sóc.
Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc, cịn
dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷ 85% tốc độ
đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi động ra khỏi lưới điện.
Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động nối vào lưới.
So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, cơng suất của
động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha, nhưng do
các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thực tế, trừ động cơ
điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng 40 ÷50% công
suất động cơ điện ba pha.
Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn làm
việc nối với điện áp một pha thì dịng điện trong dây quấn sinh ra từ trường đập
mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau
ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch như
Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha tương đương như một động
cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo
thành các từ trường quay theo những chiều ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng
của từ trường quay thuận nghịch đó với dịng điện ở roto do chúng sinh ra tạo
thành hai mô men ngược nhau M A và MB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai

mơ men đó bằng nhau và ngược chiều nhau, do đó mơ men quay tổng bằng
khơng.

8


Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha
Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay theo
chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số của sức
điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinh ra sẽ là:

f
2B

p (n1 - n ) = pn1 (n1 - n)
= 60
60n1 = sf1

(1.6)

Còn đối vớitừ trường quay ngược ΦB thì tần số ấy sẽ là:

f
2A

=

p ( n1 + n ) = pn 1 2n 1 - (n1 - n)
60

60

n1

- ( 2 - s )f1 (1.7)

ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ΦB.
Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độ động cơ
điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tử trường đó bằng 2
– s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại, khi 1 < s < 2 tức là khi
cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thì hệ số trượt đối với từ
trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường ΦB, máy làm việc ở chế độ
động cơ, cịn đối với từ trường ΦA thì ở chế độ hãm.
Quy ước rằng các mơ men có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều
chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và
9
MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính mơ
men của máy điện khơng đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên động cơ


có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha chủ
yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy.

Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ
Để điều khiển được dịng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên cứu
và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc của rotor,
M là mơ men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh tốc độ và mơ
men.

Ta có phương trình đặc tính của động cơ khơng đồng bộ như sau:

m 1 U 2 pr ' /s
1

M = 2πf [(r
s

2

+ r ' /s) 2 + (x + x ' )2 (1.8)
1

2

12

Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều chỉnh
tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u 1, điều chỉnh điện trở mạch
rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho
động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor…
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và mỗi
phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là một số
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:


a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ
Từ biểu thức (1.8) mô men của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp đặt
vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mơ men quay và tốc độ động cơ bằng
cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồn cấp.

Ưu điểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tải là
hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại khơng thích hợp với loại động cơ rotor lồng
sóc vì sth của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơ
rotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điều
chỉnh tốc độ và mô men.

b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất trượt ΔP s
= sPđt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyền động công
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.
Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được áp dụng
cho các hệ truyền động cơng suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa
lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và mô
men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một vấn đề nữa đối với các hệ thống công
suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trở phụ để khởi động
động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh cơng suất
trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho các hệ truyền động có số lần khởi
động, dừng máy và đảo chiều ít nhất.

c. Điều khiển điện trở mạch rotor


Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ thì ta có thể điều
chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm của
phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gây tổn hao
trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp một chiều. Mặt khác khi điều

chỉnh điện trở của mạch rotor thì độ trượt tới hạn cũng thay đổi theo, song trong
một dải tốc độ nào đó thì mơ men của động cơ tăng lên khi tăng điện trở, nhưng
trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trong phương pháp này nếu giữ
dịng điện rotor khơng đổi thì mơ men cũng không đổi và không phụ thuộc tốc độ
động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp này cho hệ truyền động có mơ men
khơng đổi.

d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ
Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ khơng đồng bộ
nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho phép mở
rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghành công nghiệp.
Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ
cùng một lúc như các hệ truyền động của các nhóm máy dệt, băng tải, băng
truyền...Phương pháp này còn được áp dụng trong cả những thiết bị đơn lẻ nhất là
những thiết bị có cơng nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy
mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các
bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có
cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và làm việc trong những môi trường
nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cần thiết trong hệ thống công nghiệp đang
ngày càng phát triển.
Trong hệ điều khiển tần số động cơ thì thơng số điều khiển là tần số của
điện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mơ men là hằng số thì ta phải điều khiển cả
điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có cơng suất là hằng số thì ta
giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần


f > fs.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp khác khơng có
được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và phát huy được dải

điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợp với các hệ truyền
động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhược điểm là hệ thống điều
khiển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vi xử lý tín hiệu đã cho phép
giải quyết các thuật tốn phức tạp điều khiển động cơ trong điều kiện thời gian
thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậy phương pháp này ngày càng
được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong các hệ thống công nghiệp.
Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều
chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp.
Đối với động cơ khơng đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường
quay:

n 1=

60f1
p

(1.9)

n = n1(1 – s)
(1.10)
Do đó khi thay đổi số đơi cực thì n 1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của động cơ
sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thay
đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato động cơ. Khi thay đổi số
đôi cực chú ý rằng số đôi cực ở stato và roto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số
đôi cực ở stato thì ở roto cũng phải thay đổi theo nên rất khó thực hiện cho động
cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ
roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở roto để phù
hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có
ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hồn tồn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp
độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường

dùng tối đa là bốn cấp độ.

13


Kết luận
Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điều khiển
được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện một chiều, dải
điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục. Nó cịn được áp dụng nhiều trong các hệ truyền
động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiển tốc độ bằng biến tần điều
khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản và thích hợp nhất. Nên
phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều khiển tốc độ gió cho hệ
thống sấy nơng sản trong phịng thí nghiệm.


CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN
2.1. Biến tần áp
2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần
Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các
thông số khơng đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dịng) với tần số có
thể thay đổi được. Thơng thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lưới
điện nhưng về ngun tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn
điện áp xoay chiều nào.
Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thơng khe hở
khơng đổi trong vùng điều chỉnh mơmen khơng đổi.
- Có khă năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Tuỳ theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật mà có thể xác định được cấu trúc

của hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến
tần trực tiếp, biến tần gián tiếp.
Biến tần trực tiếp
Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ
biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu).

U
f1

Bộ biến đổi

U∼
f2

Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp
Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f1
thành nguồn ra xoay chiều có tần số f2 một cách trực tiếp mà không cần qua


một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loại này
cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ.
Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số cơng suất phía
nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện áp ra, hệ thống
điều khiển phức tạp và tần số ở đầu ra thấp.
Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thấp hơn tần số lưới, số pha m 1 ở
mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần số ra càng
thấp bấy nhiêu. Để có tần số f 2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao tần số cung cấp
lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m 1 lên đến 24 pha. Điều này không dễ dàng
đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số nguồn cung cấp là tiêu
chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, làm giảm tính ưu việt của

bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử.
Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử được xây dựng trên cơ sở các
bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khố điện tử

cơng suất

thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho các bộ biến tần
loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến tần trực tiếp dùng
chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các bộ biến tần loại này cho
phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầu ra và mở rộng khả năng sử
dụng của chúng.
Biến tần gián tiếp
Việc biến đổi điện áp lưới cung cấp được cung cấp hai lần. Đầu tiên, điện áp
xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu thành điện áp một chiều, sau đó điện áp một
chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoay chiều. Sơ đồ khối được
biểu diễn trên Hình 2.2.
U∼
f1

Chỉnh lưu

Lọc

Nghịch lưu
độc lập

U∼
f2

Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp
Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạng
tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ
lọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độc lập với nhau và có
thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm:
1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảo
chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu
độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo.
2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn: trường
hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các
phụ tải khác có hệ số cơng suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối
tầng van không đồng bộ.
3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hồn tồn. Khi đó
cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo.
Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khố điện tử có khâu trung
gian dịng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu
độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần
số nguồn cung cấp.
Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai
lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối
lượng của nó.

Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dịng điện xoay chiều
một pha tần số cao.
Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khố điện tử này
thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ
hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dịng điện một pha có chuyển
mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi

19


năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ
máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại
của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số
điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 – 60
Hz, nhưng về ngun tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn.
Bộ biến tần khố điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần
số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh
lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc
biến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được,
thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng
chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng
thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá
phức tạp.
Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong
các bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng.
Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung
gian dịng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu.
Nghịch lưu là q trình biến đổi dịng điện một chiều thành xoay chiều.
Đó là q trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiều
nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor).
Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch
lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất
chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc.
là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó khơng chứa sẵn nguồn năng
lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra nghịch lưu. Vì vậy tần số,
dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó đến các thơng số ở đầu ra
nghịch lưu.

20


là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện xoay chiều có điện áp, tần
số cố định và cơng suất tác dụng lớn hơn đáng kể so với công suất mà nghịch
lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần số ở đầu ra của nghịch lưu
phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nó, những thơng số này
hồn tồn được xác định bởi các thông số của

lưới mà nghịch lưu trả năng

lượng lại.
Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm:
- Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên.
- Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của
các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này
thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và
việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngồi (khơng phụ thuộc
cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ
làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với
động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Chẳng hạn, ở chế độ máy
điện một chiều, việc chuyển mạch của các khố điện tử trong nghịch lưu phụ
thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều
khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hố và bị phụ thuộc vào vị trí
roto. Tuy nhiên, điều này khơng có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thành
nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở
tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch

lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn
cung cấp hay khơng.
Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì
nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra

21


thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng
điện.
là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự
chuyển mạch dịng điện giữa các khố điện tử của nghịch lưu, cịn dạng điện áp thì
phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ
nguồn dòng điện điều chỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng
điện được thực hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở
đầu vào hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử
dụng cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập mạch của
dòng điện chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc lập nguồn dịng điện khơng thể làm việc với tải cảm kháng, vì
khi dịng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp trên tải làm hở
mạch nguồn dịng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn giới hạn cho phép.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch lưu dịng điện lý tưởng
khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng. Nghịch lưu độc lập nguồn dịng
điện có thể cho phép làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay
chiều nhưng trong trường hợp này cần phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc
độ tăng trưởng của dịng điện khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để
dập tắt hoặc trả lại năng lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp.
Khả năng làm việc với tải có hệ số cơng suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc
lập nguồn dịng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự
nhiên.

22


2.2 Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa
a) Sơ đồ ngun lý

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha
dùng máy biến áp có điểm giữa
b) Nguyên lý làm việc.
Sơ đồ gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyritstor anot nối
vào cực dương của nguồn nuôi E thong qua hai nửa cuộn dây sơ cấp của máy biến áp,
do đó cịn có tên là onduleur song song. Ở đầu vào của onduleur dòng ta đấu nối tiếp
với một điện cảm lớn Lk vừa để dự trữ dòng điện vào vừa để hạn chế đỉnh cao của
dòng điện ic khi khởi động. Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.
Đặc điểm của onduleur dòng là có dịng điện tải dạng “ sin chữ nhật” cịn dạng
điện áp trên tải thì do thong số mạch tải quyết định.
Trong đó:
- 2n1 là tổng số vịng dây sơ cấp.
- n2 là số vòng dây thứ cấp.
- i,v là dịng và áp phía thứ cấp.
+ Hoạt động của sơ đồ.
Giả thiết cho xung mở T1. Điểm A được T1 nối với cực âm của nguồn E. Bây giờ
V0-Va=u1=E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nên VB-V0=u1=E. Như vậy tụ điện C
được nạp điệp áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải.
Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristir này mở và đặt điện thế điểm B vào mạch catot
T1 khiến T1 bị khóa lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để khóa T2 khi ta cho
xung mở T1. Phía thứ cấp ta nhận đượng dòng “ sin chữ nhật” mà tần số của nó thuộc
vào nhịp phát xung mở T1,T2.

2.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H.

23