Thiết kế bộ Thiết kế nghịch lưu độc lập điện áp để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói
chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội
thay đổi từng ngày. Trong hồn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn
của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải được trang bị những kiến
thức chuyên ngành một cách sâu rộng.
Trong quá trình học mơn thiết kế hệ thống tự động hóa q trình em được nhận
đề tài: “Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp để điều khiển tốc độ động cơ khơng
đồng bộ”.
Do kiến thức cịn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn
nên khơng khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy,
cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ án
em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cơ giáo cũng
như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo TS. abc và
các thầy cô giáo công tác trong khoa điện.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 05 năm 2021
Sinh Viên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ...................................................9
1.1

Khái qt chung..........................................................................................9

1.2

Cấu tạo......................................................................................................10

1.2.1

Stator..................................................................................................10

1.2.2

Rotor...................................................................................................10

1.3

Nguyên lý làm việc...................................................................................11

1.4

Phân loại động cơ không đồng bộ một pha...............................................14

1.4.1

Split-phase Motor-Động cơ chia pha.................................................14

1.4.2

Động cơ dùng tụ điện.........................................................................16

1.4.3

Động cơ dùng vòng ngắn mạch..........................................................17

1.5

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một pha..............................18

1.5.1

Điều khiên tốc độ bằng cách thay đổi số cực.....................................19

1.5.2

Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ...................................20

1.5.3

Điều khiển điện áp đưa vào động cơ..................................................20

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS........................................21
2.1

Giới thiệu về bộ biến đổi điện tử công suất..............................................21

2.1.1

Khái niệm, phân loại Nghịch lưu độc lập (NLĐL)............................21

2.1.2

Nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha....................................................22

2.1.3

Nghịch lưu nguồn áp cầu 1 pha..........................................................25

2.1.4

Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha........................................29

2.2

Tổng quan về phương pháp điều chế PWM..............................................32

2.2.1

Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu PWM.......................................32

2.2.2

Sin hoá PWM.....................................................................................34

2.2.3

Nguyên tắc hoạt động bộ nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn
cực......................................................................................................35


2.2.4
2.3

Mơ hình mơ phỏng nghịch lưu PWM................................................40

Lựa chọn phương án tối ưu.......................................................................42

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC..................................43

3.1

Phân tích chức năng của từng phần tử trong mạch...................................43

3.2

Lựa chọn van.............................................................................................43

3.3

Chọn thơng số mạch lọc đầu ra.................................................................44

3.4

Bảo vệ IGBT.............................................................................................45

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHIỂN...........................................47
4.1

Cấu trúc tổng quan của mạch điều khiển theo phương pháp PWM..........47

4.2

Tính tốn sơ đồ mạch điều khiển..............................................................48

4.2.1

Khâu tạo dao động..............................................................................48

4.2.2

Tính tốn mạch tạo xung đồng bộ......................................................48

4.2.3

Tính tốn xung tam giác 2 cực tính....................................................49

4.2.4

Khâu tạo trễ mở..................................................................................50

4.2.5

Khâu khuếch đại xung điều khiển IGBT............................................51

CHƯƠNG 5. MƠ PHỊNG..............................................................................54
5.1

Sơ đồ mô phỏng........................................................................................54

5.2

Kết quả mô phỏng.....................................................................................55

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................57


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Động cơ khơng đồng bộ một pha [6]...................................................9
Hình 1.2Cấu tạo của động cơ khơng đồng bộ một pha [7]................................10

Hình 1.3: Dây quấn chính và dây quấn phụ stator.............................................10
Hình 1.4: Rotor và Stator động cơ khơng đồng bộ một pha có cấu tạo gần giống
động cơ 3 pha.....................................................................................................11
Hình 1.5: Nguyên tắc tạo từ trường quay trong động cơ khơng đồng bộ 1 pha.11
Hình 1.6: Ngun lý làm việc............................................................................11
Hình 1.7: Phân tích stđ đập mạch thành hai stđ quay........................................13
Hình 1.8: Đồ thị momen.....................................................................................14
Hình 1.9: Động cơ khơng đồng bộ dùng cuộn dây phụ.....................................14
Hình 1.10: Đồ thị vector.....................................................................................15
Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ chia pha....................................................15
Hình 1.12: Động cơ khởi động dùng tụ điện......................................................16
Hình 1.13: Đồ thị vector.....................................................................................16
Hình 1.14: Đặc tính cơ của động cơ dùng tụ điện..............................................17
Hình 1.15: Động cơ dùng hai tụ điện.................................................................17
Hình 1.16: Động cơ dùng vịng ngắn mạch........................................................18
Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp nửa cầu...................................................22
Hình 2.2: Dạng xung điện áp, dịng điện của sơ đồ nửa cầu..............................23
Hình 2.3: Nghich lưu nguồn áp cầu 1 pha..........................................................25
Hình 2.4: Dạng điện áp, dịng điện trên các phần tử trong NLĐL nguồn áp một
pha......................................................................................................................27
Hình 2.5: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha........................................29
Hình 2.6: Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van. (a) V1,
V6, V5 dẫn; (b) V1, V6, V2 dẫn; (c) V1, V2, V3 dẫn.......................................30
Hình 2.7: Điện áp ra pha A................................................................................30
Hình 2.8: Điện áp ra pha B.................................................................................30
Hình 2.9: Điện áp ra Uab...................................................................................30


Hình 2.10: Điện áp ra Uac..................................................................................31
Hình 2.11: Điện áp ra Ubc.................................................................................31

Hình 2.12: Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực...................................32
Hình 2.13: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van............................................33
Hình 2.14: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh............................33
Hình 2.15: Mơ tả dạng sóng điều biên và sóng tam giác...................................36
Hình 2.16: Sơ đồ cầu nghịch lưu H....................................................................36
Hình 2.17: Áp ra trên tải (Vtai=Va -Vb) với ma=0...............................................37
Hình 2.18: Áp ra trên tải (Vtải= Va –Vb) khi ma=0.5...........................................37
Hình 2.19: Áp ra trên tải (Vtai=Va-Vb) khi ma=1.5..............................................38
Hình 2.20: Trị hiệu của thành phần điện áp cơ bản khi thay đổi hệ số điều chế
ma........................................................................................................................39
Hình 2.21: Mơ hình điều chế đơn cực................................................................40
Hình 2.22: Tín hiệu điều chế..............................................................................40
Hình 2.23: Phương pháp điều chế lưỡng cực.....................................................40
Hình 2.24:Mơ hình điều chế lưỡng cực..............................................................41
Hình 2.25: Tín hiệu điều chế..............................................................................41
Hình 2.26: Điện áp đầu ra..................................................................................41
Hình 2.27: Sơ đồ phương án mạch lực lựa chọn................................................42
Hình 3.1: Mạch lọc đầu ra..................................................................................44
Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp.................................47
Hình 4.2: Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha điều khiển kiểu SPWM................47
Hình 4.3: Sơ đồ cầu Wien..................................................................................48
Hình 4.4: Sơ đồ xung đồng bộ...........................................................................49
Hình 4.5: sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cực tính....................................................50
Hình 4.6: Khâu tạo trễ mở..................................................................................50
Hình 4.7: Sơ đồ chân IC SG 3525......................................................................51
Hình 4.8: Sơ đồ khối IC SG3525.......................................................................52
Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏng.................................................................................54


Hình 5.2: Xung PWM điều chế đơn cực............................................................55

Hình 5.3: Đồ thị điện áp đầu ra..........................................................................56


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hệ số điện áp hiệu dụng của các sóng hài với các hệ số ma khác
nhau....................................................................................................................38
Bảng 3.1: Thông tin về hệ thống........................................................................43
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật van IGBT.............................................................44
Bảng 3.3: Bảng liệt kê thiết bị mạch lực............................................................46


CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ
1.1 Khái qt chung
Động cơ khơng đồng bộ hay cịn gọi là động cơ dị bộ, được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp từ cơng suất nhỏ đến cơng suất trung bình . Chiếm tỉ lệ lớn so với
động cơ khác, nhờ những ưu điểm :
 Động cơ khơng đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế
tạo,vận hành an tồn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa.
 Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các
thiết bị biến đổi.
 Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo
bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử.
Dựa theo nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, người ta chế tạo được
những động cơ không đồng bộ một pha. Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây
đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện
qua một tụ điện. Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha
nhau và tạo ra từ trường quay. Động cơ không đồng bộ một pha chỉ đạt được cơng suất
nhỏ, nó chủ yếu được dùng trong các dụng cụ gia đình như quạt điện, máy hút bụi,
máy bơm nước…

Hình 1.1: Động cơ khơng đồng bộ một pha [6]

8


1.2 Cấu tạo
Động cơ 1 pha được cấu tạo gồm 2 bộ phận stator và rotor.

Hình 1.2Cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha [7]

1.2.1

Stator

Phần tĩnh gồm: mạch từ, dây quấn, vỏ máy.
Mạch từ có cấu tạo giống như stator động cơ 3 pha dây quấn stator gồm dây
quấn chính và dây quấn phụ có kết cấu thường khơng giống nhau đặt lệch nhau góc
900.

Hình 1.3: Dây quấn chính và dây quấn phụ stator

1.2.2

Rotor

Roto của động cơ khơng đồng bộ 1 pha thường dùng la roto lồng sóc.

9

Ngồi hai phần chính trên, cịn có các bơ phận khởi động như tụ điện, ngắt điện
ly tâm hay rơle dịng điện rơle điện áp, …

Hình 1.4: Rotor và Stator động cơ khơng đồng bộ một pha có cấu tạo gần giống động cơ 3
pha

1.3 Nguyên lý làm việc

Hình 1.5: Nguyên tắc tạo từ trường quay trong động cơ không đồng bộ 1 pha

Nếu chỉ có 1 cuộn dây nối vào 1 pha sẽ có từ trường xoay chiều như sau.

10


Hình 1.6: Ngun lý làm việc

Xét từ trường do dịng điện hình sin

trong dây quấn stator của

động cơ khơng đồng ộ 1 pha chỉ có dây quấn một pha.
Dịng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường xoay
chiều, đường sức từ trường được xác định theo quy tắc vặn nút chai. Xét tại các thời
điểm:
(1.1)

 Tại

dòng điện đạt cực đại dương i=I m, cảm ứng

sử đường sức có chiều từ trên xuống dưới.

và

đạt cực đại, giả

cùng phương, cùng

chiều, cùng độ lớn:

,dòng điện vẫn dương, cảm ứng

 Tại

nhưng độ lớn bé hơn,

,

 Tại

i=0, B=0.

và

vẫn có chiều như

lệch nhau góc α.
và

cùng phương, ngược chiều, cùng độ

lớn.

, i<0, cảm ứng từ

 Tại
và

đổi chiều hướng từ dưới lên trên, ⃗

lệch nhau góc α như trường hợp t2

11


 Tại

,

i = -Im, cảm ứng từ

đạt cực đại với chiều từ dưới lên

trên.
 Tại t6 = T, i=0, B=0.
Vậy từ trường do dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn một pha sinh ra là
từ trường đập mạch, có thể phân tích thành hai từ trường quay có biên độ bằng ½ biên
độ từ trường cực đại và quay ngược chiều nhau với cùng một vận tốc góc.
(1.2)

Phân tích stđ đập mạch thành hai stđ quay:
 Stđ quay thuận:
 Stđ quay ngược:

Hình 1.7: Phân tích stđ đập mạch thành hai stđ quay

Hai stđ quay này có:

 Biên độ từ trường đập quay:
 Tốc độ quay: Quay thuận ω1, Quay ngược – ω1.
Hệ số trượt:
12


 Thuận:
 Ngược:
Phương trình cân bằng stđ tổng:
 Thuận:

sinh ra từ cảm

 Ngược:

sinh ra từ cảm

Từ cảm tổng hình thành từ trường quay hình elip:
(1.3)

2 từ trường quay ngược chiều

và

sẽ tạo ra 2 mômen điện từ

và

ngược chiều nhau, tác dụng lên trục rotor của động cơ. Momen tổng được xác định
bằng phép cộng đồ thị.

Hình 1.8: Đồ thị momen

Tổng đại số hai mơmen cho đặc tính cơ

:
(1.4)

Tại thời điểm tốc độ bằng không (n = 0, s = 1),

và ngược chiều nhua

nên momen tổng bằng không (M = 0), nên động cơ không thể tự khởi động được, nếu
quay rotor theo chiều nào thì sẽ xuất hiện moment quay theo chiều đó, tác động làm
rotor tiếp tục quay.
13


Vì vậy để động cơ một pha làm việc được, ta phải có biện pháp mở máy, nghĩa
là tìm cách tạo ra cho động cơ một mômen lúc rôto đứng yên (M = Mk khi s =1).
1.4 Phân loại động cơ khơng đồng bộ một pha

1.4.1

Split-phase Motor-Động cơ chia pha

Hình 1.9: Động cơ không đồng bộ dùng cuộn dây phụ

Động cơ chia pha hay còn được được biết đến là động cơ không đồng bộ dùng
cuộn dây phụ.
Loại động cơ này được dùng khá phổ biến như máy điều hòa, máy giặt, dụng cụ
cầm tay, quạt, bơm ly tâm, ...
Cấu tạo của loại động cơ này gồm dây quấn chính (dây quấn làm việc), dây
quấn phụ (dây quấn mở máy). Hai cuộn dây này đặt lệch nhau một góc 90 o điện trong
khơng gian.
Để có được mơmen mở máy, người ta tạo ra góc lệch pha giữa dịng điện qua
cuộn chính Ic và dịng qua cuộn dây phụ Ip bằng cách mắc thêm một điện trở nối tiếp
với cuộn phụ hoặc dùng dây quấn cở nhỏ hơn cho cuộn phụ, góc lệch nầy thường nhỏ
hơn 30o.
Dịng trong dây quấn chính và trong dây quấn phụ sinh ra từ trường quay để tạo
ra momen mở máy.
Đồ thị vectơ lúc mở máy được trình bày trong hình 1.15.

14


Hình 1.10: Đồ thị vector

Khi tốc độ đạt được 70÷75 % tốc độ đồng bộ, cuộn dây phụ được cắt ra nhờ
công tắt ly tâm K và động cơ tiếp tục làm việc với cuộn dây chính.
Đặc tính cơ của động cơ loại này:

Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ chia pha

1.4.2

Động cơ dùng tụ điện

Hình 1.12: Động cơ khởi động dùng tụ điện

Các động cơ không đồng bộ một pha có cuộn dây phụ được mắt nối tiếp với
một tụ điện được gọi là động cơ tụ điện. Loại động cơ nầy có cuộn dây phụ bố trí lệch
so với cuộn dây chính một góc 90 o điện trong khơng gian, để tạo góc lệch về thời gian

15


ta mắc nối tiếp với cuộn dây phụ một tụ điện. Nếu chọn tụ điện có giá trị thích hợp thì
góc lệch pha giữa Ic và Ip là gần 90o.

Hình 1.13: Đồ thị vector

Tùy theo yêu cầu về momen mở máy và momen lúc làm việc, ta có các loại:
 Động cơ tụ điện mở máy (tụ đề): Khi mở máy tốc độ động cơ đạt đến
75÷85% tốc độ động bộ, công tắc K (tiếp điểm ly tâm) mở ra và động cơ
sẽ đạt đến tốc độ ổn định.
 Động cơ tụ điện thường trực (tụ ngâm): Cuộn dây phụ và tụ điện mở
máy được mắt luôn khi động cơ làm việc bình thường. Loại này có cơng
suất thường nhỏ hơn 500W và có đặc tính cơ tốt.

Hình 1.14: Đặc tính cơ của động cơ dùng tụ điện

Ngồi ra, để cải thiện đặc tính làm việc và momen mở máy ta dùng động cơ hai
tụ điện.

16


Một tụ điện mở máy khá lớn (khoảng 10 ÷15 lần tụ điện thường trực) được
ghép song song với tụ điện thường trực. Khi mở máy tốc độ động cơ đạt đến 75÷85%
tốc độ động bộ, tụ điện mở máy được cắt ra khỏi cuộn phụ, chỉ còn tụ điện thường trực
nối với cuộn dây phụ khi làm việc bình thường.

Hình 1.15: Động cơ dùng hai tụ điện

1.4.3

Động cơ dùng vòng ngắn mạch

Cấu tạo:
Trên stato ta đặt dây quấn một pha và cực từ được chia làm hai phần, phần có
vịng ngắn mạch K ơm 1/3 cực từ và rơto lồng sóc.
Dịng điện chạy trong dây quấn stato I 1 tạo nên từ thơng Φ’ qua phần cực từ
khơng vịng ngắn mạch và từ thông Φ’’ qua phần cực từ có vịng ngắn mạch.

Hình 1.16: Động cơ dùng vịng ngắn mạch

Từ thơng Φ’’ cảm ứng trong vịng ngắn mạch sđđ E n, chậm pha so với một góc
90o. Vịng ngắn mạch có điện trở và điện kháng nên tạo ra dòng điện In chậm pha so
17

với một góc φn < 90o. Dịng điện In tạo ra từ thơng Φn và ta có từ thơng tổng qua phần
cực từ có vịng ngắn mạch:
(1.5)

Từ thơng này lệch pha so với từ thông qua phần cực từ không có vịng ngắn
mạch một góc φ. Do từ thơng Φ’ và ΦΣ lệch nhau trong không gian nên chúng tạo ra
từ trường quay và làm quay rôto.
Mô men mở mày của động cơ khá nhỏ: Mk = (0,2 - 0,5)Mđm.
Hiệu suất thấp η = (25 - 40%).
Thường được chế tạo với công suất nhỏ từ 20 - 30W, đôi khi cũng có chế tạo
cơng suất đến 300W và hay sử dụng làm quạt bàn, quạt trần, máy quay đĩa.
1.5 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một pha.
Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp
sau:
 Điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực.
 Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ.
 Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.
1.5.1

Điều khiên tốc độ bằng cách thay đổi số cực

- Trường hợp thay đối tốc độ (M = const)
Công suất trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao:
(1.6)

Công suất trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp::
(1.7)

Vậy:
(1.8)

Momen động cơ ở tốc độ cao:
(1.9)

18


Momen động cơ ở tốc độ thấp:
(1.10)

Với
Vậy:
(1.11)

 Trường hợp thay đối tốc độ, moment và công suất thay đổi
Công suất trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ cao:

Công suất trên trục động cơ khi vận hành tại tốc độ thấp:
(1.12)

Vậy:
(1.13)

Vậy:
(1.14)

1.5.2

Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động cơ
(1.15)

Trong đó:


là điện áp, momen tương ứng với tần số


là điện áp, momen tương ứng với tần số
Khi yêu cầu moment không đổi (như trong máy cắt gọt kim loại):

19


(1.16)

Khi yêu cầu đảm bảo công suất cơ Pcơ không thay đổi (như trong máy
điện):
(1.17)

Khi yêu cầu moment tỷ lệ với bình phương của tốc độ (trong quạt gió)
(1.18)

1.5.3

Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

Nếu điện áp 𝑈1 giảm x lần (x<1) thì:
(1.19)

Sau khi tìm hiểu về các phương điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ một

pha ta chọn phương pháp thay đổi tần số dòng điện vào động cơ sử dụng bộ nghịch lưu
độc lập 1 pha.

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS
2.1 Giới thiệu về bộ biến đổi điện tử công suất
2.1.1

Khái niệm, phân loại Nghịch lưu độc lập (NLĐL)

2.1.1.1. Khái niệm
Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là những bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện
một chiều thành nguồn điện xoay chiều, hay còn gọi là các bộ biến đổi DC-AC, cung
cấp cho phụ tải xoay chiều. Khái niệm làm việc độc lập nghĩa là sự hoạt động của các
van không phụ thuộc vào điện áp lưới điện. Như vậy các bộ nghịch lưu có chức năng
ngược với các bộ chỉnh lưu. Khái niệm độc lập ở đây còn phân biệt nghịch lưu độc lập
với lớp các bộ biến đổi phụ thuộc như các bộ đổi xung áp xoay chiều, các bộ chỉnh
lưu, trong đó các van chuyển mạch dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều.

20