Đồ án dtcs khởi động mềm động co·

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ CÔNG BA PHA


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong cơng nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có
cơng suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó
vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết
sức mạnh mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của cơng
nghiệp thì ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu
nhất. Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hố - hiện đại hố của Nhà nước, các nhà
máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào
trong sản xuất. Do đó địi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an tồn,
chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế
đơng đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ
này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng.
Chính vì vậy đồ án mơn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh
viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng
là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện
tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba cịn đang ngồi trong ghế nhà
trường thì kinh nghiệm thực tế cịn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn
giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy xxx đã tận tình
chỉ dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ án mơn học này.
Đồ án này hồn thành khơng những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn
về mơn học mà còn giúp em dược tiép xúc với một phương pháp làm việc mới chủ
động hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việc theo

nhóm.Q trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về
nhiều mặt.
Hà Nội, tháng 12, năm 2021
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG...............................................................1
1.1

Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha..................................1

1.2

Các hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ không đồng bộ...........2

1.2.1

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp......................................2

1.2.2

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số........................................3

1.2.3

Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto..........................5

1.2.4

Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn...........6

1.3

Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ...............................................7

1.4

Giới thiệu về van Thyristor.......................................................................11

1.5

Phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha...............................................15

1.5.1

Các sơ đồ ứng dụng............................................................................15

1.5.2

Phân tích sơ đồ lựa chọm...................................................................16

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC..................................20
2.1

Thiết kế mạch lực......................................................................................20

2.1.1
2.2

Tính chọn van mạch lực (Chọn Thyristor)................................................20

2.2.1
2.3

Sơ đồ mạch lực...................................................................................20
Chọn van Thyristor.............................................................................20

Tính chọn các phần tử bảo vệ...................................................................21

2.3.1

Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn..........................................21

2.3.2

Bảo vệ quá điện áp cho van................................................................22

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.................24
3.1

Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển...................................................24

3.2

Thiết kế mạch điều khiển..........................................................................25

3.2.1

Khâu đồng pha...................................................................................25

3.2.2

Khâu tạo điện áp răng cưa..................................................................27

3.2.3

Khâu so sánh......................................................................................29

3.2.4

Khâu phát xung chùm........................................................................30

3.2.5

Chọn cổng AND.................................................................................32

3.2.6

Khâu khuếch đại xung........................................................................33

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG..............................................................................37
4.1

Sơ đồ mạch lực..........................................................................................37

4.2

Sơ đồ mạch điều khiển..............................................................................38

4.3

Sơ đồ mơ phỏng tồn mạch.......................................................................39

4.4

Kết quả mơ phỏng.....................................................................................40

4.4.1

Đặc tính phát xung.............................................................................40

4.4.2

Đặc tính điện áp ra.............................................................................41

KẾT LUẬN.......................................................................................................42


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc................................................1
Hình 1.2: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp..............................................2
Hình 1.3: Bộ điều áp xoay chiều..........................................................................3
Hình 1.4: Đặc tính cơ của hệ BT-ĐCKĐB..........................................................3
Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ biến tần...................................................................4
Hình 1.6: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto.........................5
Hình 1.7: Đặc tính cơ của ĐK roto dấy quấn.......................................................5
Hình 1.8: Biến trở.................................................................................................5
Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto................6

Hình 1.10: Sơ đồ tầng điện...................................................................................6
Hình 1.11: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ. Q1: aptomat
chính; F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: cơng tắc tơ chính; F7: phần tử
nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải................................................................................7
Hình 1.12: Sơ đồ khởi động sao – tam giác động cơ không đồng bộ; Q1: ap to
mat chính;F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: cơng tăc tơ chính; K2:
cơng tắc tơ nối tam giác; K3: công tăc tơ nối sao; F7: phần tử nhiệt của rơ le
bảo vệ quá tải........................................................................................................8
Hình 1.13: Đặc tính khởi động sao – tam giác; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ
điện.......................................................................................................................8
Hình 1.14: Bộ khởi động mềm dùng mạch thyristor song song ngược...............9
Hình 1.15: Đặc tính khởi động mềm; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện......10
Hình 1.16: Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động..........................................10
Hình 1.17: Thyristor. (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu...................................................11
Hình 1.18: Đặc tính vơn-ampe của Thyristor.....................................................11
Hình 1.19: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dịng điều khiển................................14
Hình 1.20: Các dạng sơ đồ xung áp xoay chiều ba pha.....................................16
Hình 1.21: Sơ đồ mạch lực lựa chọn..................................................................16
Hình 1.22: Đồ thị dạng điện áp trên tải tại góc điều khiển
....................17
Hình 1.23: Đồ thị điện áp trên tải với tải điện trở thuần....................................18
Hình 1.24: Đồ thị điện áp trên tải pha A với α = 60¬o......................................19
Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực...................................................................................20
Hình 2.2: Cánh nhơm tản nhiệt..........................................................................21
Hình 2.3: Mạch R-C bảo vệ quá áp do chuyển mạch.........................................22
Hình 2.4: Bảo vệ quá điện áp từ lưới.................................................................22
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc..........................................24
Hình 3.2: Giản đồ các tầng điều khiển...............................................................25
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha.........................................................25

Hình 3.4: Mạch tạo răng cưa..............................................................................27
Hình 3.5: Đồ thị điện áp răng cưa......................................................................27
Hình 3.6: Khâu so sánh......................................................................................29
Hình 3.7: Tín hiêu xung sau khâu so sánh.........................................................29
Hình 3.8: Sơ đồ chân IC 741..............................................................................30
Hình 3.9: Khâu phát xung chùm........................................................................30
Hình 3.10: Khâu tách xung................................................................................31
Hình 3.11: Đồ thị tạo xung chùm.......................................................................31
Hình 3.12: Tạo xung chùm có độ rộng bằng 1800-α ..........................................32
Hình 3.13: Cổng AND.......................................................................................32
Hình 3.14: Sơ đồ chân IC4073...........................................................................32
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý...............................................................................33
Hình 3.16: Biến áp xung....................................................................................34
Hình 4.1: Sơ đồ mạch lực...................................................................................37
Hình 0.1: Sơ đồ mạch điều khiển.......................................................................38
Hình 0.2: Sơ đồ mơ phỏng tồn mạch................................................................39
Hình 4.15: Đặc tính các tầng điều khiển của điều áp xoay chiều 3 pha.............40
Hình 4.16: Đồ thị điện áp ra điều áp xoay chiều 3 pha, xung chùm, góc mở α =
30o.......................................................................................................................41


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thông số lựa chọn van Thyristor.......................................................21
Bảng 2.2: Bảng lựa chọn các thiết bị mạch lực..................................................23
Bảng 3.1: Thông số các thiết bị khâu đồng pha.................................................26
Bảng 3.2: Thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa................................28
Bảng 3.3: Thông số các thiết bị khâu so sánh....................................................30
Bảng 3.4: Thông số các thiết bị khâu phát xung chùm......................................31
Bảng 3.5: Bảng liệt kê thiết bị mạch điều khiển................................................36

Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha
Trong công nghiệp thường sử dụng nhiều loại động cơ song chúng ta cần chọn
loại động cơ sao cho phù hợp nhất để vừa đảm bảo yếu tố kinh tế vừa đẩm bảo yếu tố
kỹ thuật. Dưới đây là 1 vài loại động cơ thường gặp:
 Động cơ điện một chiều
Loại động cơ này có ưu điểm là có thể thay đổi trị số của mơmen và vận tốc góc
trong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng ... nhưng chúng
lại có nhược điểm là giá thành đắt, khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu tư để đặt thiết
bị chỉnh lưu, do đó được dùng trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy,
máy trục, các thiết bị thí nghiệm ...
 Động cơ điện xoay chiều: bao gồm 2 loại: một pha và ba pha
 Động cơ xoay chiều một pha có cơng suất nhỏ do đó chỉ phù hợp cho
dân dụng là chủ yếu.
 Động cơ xoay chiều ba pha: gồm hai loại: đồng bộ và không đồng bộ
Động cơ ba pha đồng bộ có ưu điểm hiệu suất cao, hệ số tải lớn nhưng có
nhược điểm: thiết bị tương đối phức tạp, giá thành cao vì phải có thiết bị phụ để khởi
động động cơ, do đó chúng được dùng cho các trường hợp cần công suất lớn
(>100kW), và khi cần đảm bảo chặt chẽ trị số không đổi của vận tốc góc.
Động cơ ba pha khơng đồng bộ gồm hai kiểu: rơto dây cuốn và rơto lồng sóc
 Động cơ ba pha không đồng bộ rôto dây cuốn cho phép điều chỉnh vận
tốc trong một phạm vi nhỏ (khoảng 5), có dịng mở máy thấp nhưng
cos thấp, giá thành đắt, vận hành phức tạp do đó chỉ dùng hợp trong
một phạm vi hẹp để tìm ra vận tốc thích hợp của dây chuyền công nghệ.
 Động cơ ba pha khơng đồng bộ rơto lồng sóc có ưu diểm là kết cấu đơn
giản, giá thành hạ, dễ bảo quản, song hiệu suất thấp (cos thấp) so với

động cơ ba pha đồng bộ, không điều chỉnh được vận tốc.
Từ những ưu, nhược điểm trên cùng với điều kiện hộp giảm tốc, ta chọn Động
cơ ba pha không đồng bộ rôto lồng sóc.

Hình 1.1: Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc

1


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

1.2 Các hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ không đồng bộ
Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một
chiều. Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điều chỉnh tốc độ động
cơ khơng đồng bộ khơng gặp nhiều khó khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng
phẳng khi điều chỉnh vànăng lượng tiêu thụ.
Phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện:
 Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi
cực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện.
 Trên rotor: Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa sđđ phụ vào rotor.
Một số hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ:
 Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện trở xung trong mạch roto.
 Hệ điều khiển động cơ không đồng bộ bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay
chiều dùng Thyristor. Hệ điều chỉnh pha Thyristor- Động cơ.
 Hệ biến tần- động cơ không đồng bộ.
1.2.1

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Hệ số trượt tới hạn sm khơng phụ thuộc vào điện áp.

Nếu r’2 khơng đổi thì khi giảm điện áp nguồn U 1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ
khơng đổi cịn Mmax giảm tỉ lệ với bình phương diện áp.
Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi khi thay đổi điện áp.
Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảm
điện áp nguồn, tốc độ gần như khơng đổi.

Hình 1.2: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp

Thay đổi điện áp nguồn có thể áp dụng những cách sau:
 Biến áp xoay chiều
 Phân áp bằng điện kháng
 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
2


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Hình 1.3: Bộ điều áp xoay chiều

1.2.2

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Với điều kiện năng lực q tải khơng đổi, có thể tìm ra được quan hệ
giữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M.
Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1:

Với C – hệ số
Khi thay đổi tần số đặc tính cơ thay đổi
Họ đặc tính cơ với U1 = const.

Hình 1.4: Đặc tính cơ của hệ BT-ĐCKĐB

Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số:
3


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ biến tần

 Rectifier – chỉnh lưu (AC → DC)
 Inverter – Nghịch lưu (DC → AC)
 f – control – điều khiển tần số
Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f 1’, căn cứ vào điều kiện
năng lực quá tải không đổi:

Do đó:

Trong thực tế ứng dụng, thường u cầu mơmen khơng đổi:

tần số:

Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mơmen tỉ lệ nghịch với

Do đó:

Khi thay đổi tần số f1, phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ.
Trường hợp U1/f = const và tần số giảm có đặc tính cơ trên đồ thị, cách điều
chỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần MC = const khi vận tốc thay đổi.

4


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.3

Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

Hình 1.6: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạch
rôto của động cơ rôto dây quấn.
Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trở
khởi động.
Họ đặc tính cơ của ĐK rôto dây quấn khi dùng biến trở điều chỉnh tốc độ.
Đặc điểm điều chỉnh: Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm.

Hình 1.7: Đặc tính cơ của ĐK roto dấy quấn

Biến trở làm việc theo nguyên tắc “băm xung”.

Hình 1.8: Biến trở

5


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch

Phương pháp nầy gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm.
Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh liên tục
trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cở
trung bình.
Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ:

Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

1.2.4

Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn

Năng lượng trên rô to với tần số f 2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện trở phụ được
chỉnh lưu thành năng lượng một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu được biến đổi thành
năng lượng xoay chiều tần số f trả về nguồn.

Hình 1.10: Sơ đồ tầng điện

6


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

1.3 Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, được sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp. Công suất động cơ nhỏ từ 1kW đến cỡ 30 kW, trung bình cỡ 30
– 300 kW, cỡ lớn hơn 300 kW. Các cơ cấu quay bằng động cơ rất đa dạng. Có thể kể
ra một số loại tiêu biểu như bơm và quạt ly tâm, máy nén dạng piston hoặc trục vít, các

dạng băng truyền. Động cơ truyền động ra cơ cấu quay thường qua dây đai cuaroa, qua
hộp số, trục khuỷu cardan. Một số trường hợp nối trực tiếp với trục quay của cơ cấu
qua khớp nối có chốt bằng then ngang.
Động cơ có thể khởi động trực tiếp, đóng thẳng vào lưới điện bằng cơng tăc tơ.
Sơ đồ cho trên hình 6.15, đặc tính cơ (mơ men – tốc độ) và đặc tính cơ điện (dòng điện
– tốc độ) của động cơ cho trên hình 6.17, đồ thị bằng nét đứt. Trên đồ thị đặc tính cơ
chỉ ra mơ men khởi động Mkđ, thường cỡ 1,25 đến 2 lần mô men định mức M đm. Mô
men cực đại của động cơ Mmax cỡ 2,5 đến 3 lần Mđm. Khởi động trực tiếp có thể phát
huy mô men khởi động lớn, thời gian khởi động ngắn dưới 5s. Tuy nhiên khởi động
trực tiếp có một số nhược điểm. Thứ nhất là mô men khởi động lớn có thể dẫn đến
trượt dây đai, nhất là với những cơ cấu như bơm và quạt ly tâm thường có mơ men
qn tính lớn. Độ giật lớn dẫn đến hao mòn ổ bi, khớp nối, dão dây đai, tăng chi phí
bảo dưỡng, sửa chữa, tổn thất do dừng máy. Thứ hai là dòng khởi động rất lớn, cỡ 7 –
8 lần dòng định mức động cơ. Với những động cơ từ trung bình đến lớn dịng khởi
động gây sụt áp trên đường dây, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị khác
trong mạng lưới, làm các rơ-le bảo vệ tác động, gây dừng máy không mong muốn. Để
tránh sụt áp hệ thống cung cấp điện có thể phải phức tạp hơn, gây tốn kém. Nói chung
với các động cơ lớn không cho phép khởi động trực tiếp.

Hình 1.11: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ khơng đồng bộ. Q1: aptomat chính; F1, F2, F3:
cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: cơng tắc tơ chính; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải.

Sơ đồ khởi động sao – tam giác cho trên hình 1.12, đặc tính cơ và đặc tính
cơ .điện cho trên hình 1.13.a, b, đồ thị các đường nét liền đậm. Trên đường đặc tính
cũng thể hiện đặc tính tải M c cho cơ cấu quạt gió, mơ men cản tỷ lệ với bình phương
tốc độ. Trên đường đặc tính cơ điện cho thấy khi chuyển tốc độ từ sao sang tam giác
vẫn có thể có đỉnh dịng điện tương đối lớn, vượt ra ngồi đặc tính khi khởi động trực
tiếp theo đường nét đứt.
7

Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Hình 1.12: Sơ đồ khởi động sao – tam giác động cơ không đồng bộ; Q1: ap to mat chính;F1,
F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: cơng tăc tơ chính; K2: cơng tắc tơ nối tam giác; K3:
công tăc tơ nối sao; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải.

Các phương pháp khởi động như đổi nối sao – tam giác, dùng biến áp tự ngẫu
hoặc cuộn kháng khởi động đều nhằm mục đích giảm điện áp đặt lên động cơ, do đó
giảm được mơ men giật ban đầu, giảm dịng khởi động. Tuy nhiên các phương pháp
này đều có nhược điểm là dùng những phần tử đóng cắt có tiếp điểm, q trình khởi
động vẫn nhảy cấp, vẫn có xung lực gây giật cơ cấu và xung dòng khởi động lớn.

Hình 1.13: Đặc tính khởi động sao – tam giác; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện.

8


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Hình 1.14: Bộ khởi động mềm dùng mạch thyristor song song ngược.

Bộ biến đổi bán dẫn sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều trên cơ sở các
thyristor song song ngược có thể được áp dụng như những bộ khởi động mềm động cơ
không đồng bộ. Sơ đồ bộ khởi động mềm cho trên hình 1.14. Bằng phương pháp điều
khiển góc mở  cho các van bán dẫn điện áp đặt lên cuộn dây stator động cơ có thể
tăng lên từ từ, đảm bảo hạn chế dịng điện và sinh ra mơ men đủ lớn cho động cơ trong
quá trình khởi động. Hệ thống điều khiển bằng mạch điện tử sẽ cho phép cài đặt các
tham số của quá trình khởi động một cách linh hoạt. Bộ khởi động cũng tham gia vào
quá trình dừng động cơ, tạo ra gia tốc giảm tốc độ một cách hợp lý. Một số q trình

khơng được phép giảm tốc một cách đột ngột. Ví dụ hệ thống băng tải nếu dừng động
cơ đột ngột có thể gây nên văng các vật trên băng ra ngoài. Một bơm nước lên đường
ống nếu dừng động cơ tức khắc thì nước trên đường ống sẽ dội trở lại gây nên áp suất
lớn trên cánh bơm, phần đường ống mất nước đột ngột sẽ tạo nên chân không, áp suất
giảm mạnh có thể làm móp đường ống, khơng khí tràn vào mạnh có thể ảnh hưởng đến
gioăng ở các mối nối. Việc tạo nên một cách thức giảm với gia tốc vừa phải chỉ có thể
thực hiện được với bộ khởi động dùng bán dẫn.

9


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

Hình 1.15: Đặc tính khởi động mềm; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện

Bộ khởi động mềm, dựa trên mạch điều áp xoay chiều, với kết cấu đơn giản, tin
cậy, kích thước nhỏ gọn, giá thành tương đối thấp, đã được áp dụng cho nhiều cơ cấu
truyền động, công suất từ nhỏ đến lớn. Sơ đồ cho trên hình 1.14. Đặc tính cơ và cơ
điện cho trên hình 1.15. Có thể thấy mơ men khởi động và dịng điện đều có thể làm
trơn, khơng gây nên các xung giật.
Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động cho trên hình 1.16. Bộ khởi động bán
dẫn được thiêt kế sao cho có thể tạo nên đặc tính tăng tốc theo thời gian, thường từ 5 s
đến 10s. Dịng điện khởi động có thể được hạn chế khoảng 3 – 4 lần dòng định mức
động cơ đối với đa số các cơ cấu. Cơ chế của mạch hạn chế dòng điện xảy ra một cách
tự động và có thể kéo dài thời gian tăng tốc thêm một vài giây. Bộ khởi động tạo nên
điện áp ban đầu đưa vào động cơ khoảng 30 đến 60% điện áp định mức. Điện áp đặt
lên động cơ ban đầu phải có giá trị đủ lớn để sinh ra mơ men thắng mơ men cản để
động cơ có thể tăng tốc được. Cần biết rằng mô men do động cơ sinh ra tỷ lệ với bình
phương điện áp nên nếu điện áp ban đầu chỉ bằng 20% định mức thì mơ men chỉ bằng
0,22 = 0,04, nghĩa là 4% mô men định mức và động cơ sẽ không thể khởi động được.

Q trình dừng cũng có thể được cài đặt giống như lúc khởi động với hai tham số
chính: mức giảm điện áp và thời gian giảm tốc. Mức tăng điện áp ban đầu và mức
giảm có thể được lựa chọn khi cài đặt bộ khởi động cho cơ cấu trong lần chạy thử đầu
tiên.

Hình 1.16: Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động.

10


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

1.4 Giới thiệu về van Thyristor

Hình 1.17: Thyristor. (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anơt A, catơt K, cực điều khiển G, như được
biểu diễn trên hình 1.17.
1.2.2.1. Đặc tính vơn - ampe của Thyristor

Hình 1.18: Đặc tính vơn-ampe của Thyristor

Đặc tính vơn - ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.18). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần thứ tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp
UAK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng
với trường hợp UAK < 0.
1. Trường hợp dịng điện vào cực điều khiển bằng khơng (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa

anôt - catôt. Khi điện áp UAK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J1, J3
đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai điôt
mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy
qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung,max sẽ xảy ra
hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dịng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở
đoạn đặc tính ngược của điơt q trình bị đánh thủng là q trình khơng thể đảo ngược
11


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung,max thì dịng điện cũng
khơng giảm được về mức dịng rị. Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một
dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anơt - catơt
vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho
đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max, sẽ xảy ra hiện tượng điện
trở tương đương mạch anôt - catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ
bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi. Nếu khi đó dịng qua Thyristor có giá trị lớn hơn
một mức dịng tối thiểu, gọi là dịng duy trì, Idt, thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dịng trên
đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điơt. Đoạn đặc tính thuận
được đặc trưng bởi tính chất dịng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anơt catơt thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dịng điện.
2. Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dịng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catơt q trình chuyển
điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận
đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mơ tả trên hình 2.6 bằng những đường
nét đứt, ứng với các giá trị dịng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,... Nói chung nếu
dịng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Tình hình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ khơng có gì khác so với trường
hợp dịng điều khiển bằng 0.

Thyristor có đặc tính giống như điơt, nghĩa là chỉ cho phép dịng chạy qua theo
một chiều, từ anơt đến catơt và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác
với điơt, để Thyristor có thể dẫn dịng ngồi điều kiện phải có điện áp UAK > 0 cịn cần
thêm một số điều kiện khác. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều
khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được.
3. Mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng điện áp anôt - catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,
Uth,max. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt - catôt sẽ giảm đột ngột và dịng
qua Thyristor hồn tồn do mạch ngồi xác định. Phương pháp này trong thực tế
không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào
cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp
Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên,
không định trước.
Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dịng
điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catơt. Xung dịng điện điều khiển
sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp
anôt - catơt nhỏ. Khi đó nếu dịng qua anơt -catơt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là
dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần
đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển các
Thyristor bằng các xung dịng có độ rộng xung nhất định, do đó cơng suất của mạch
điều khiển có thể là rất nhỏ, so với cơng suất của mạch lực mà Thyristor là một phần
tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
12


Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ khơng đồng bộ ba pha

4. Khố Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dịng sẽ trở về trạng thái khố (điện trở tương đương

mạch anơt - catơt tăng cao) nếu dịng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dịng duy trì, Idt.
Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt
lại dương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi
hồn tồn tính chất cản trở dịng điện của mình.
Khi Thyristor dẫn dịng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân
cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân
cực ngược. Vì vậy mà dịng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khoá
Thyristor lại cần giảm dịng anơt-catơt về dưới mức dịng duy trì (Idt) bằng cách hoặc
là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của
Thyristor. Sau khi dịng về bằng khơng phải đặt một điện áp ngược lên anôt - catôt
(UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr, chỉ sau đó
Thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian phục hồi có
một dịng điện ngược chạy giữa catơt và anơt. Dịng điện ngược này di tản các điện
tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3
được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra
ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược
tại thời điểm đó.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor. Thời
gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor. tr có giá trị cỡ 5 – 50 μs đối
với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 μs đối với các Thyristor tần số thấp.
1.2.2.2. Các thông số cơ bản của Thyristor
Các thông số của thyristor cũng bao gồm các thông số tĩnh và động, và các
thông số giới hạn. Trong đó các thơng số tĩnh lặp lại phần lớn giống như ở điôt.
 Các thông số tĩnh:
 Điện áp ngưỡng khi thyristor bắt đầu dẫn dòng theo chiều thuận, UV0.
 Dịng duy trì, được hiểu là giá trị ngưỡng dịng điện, bắt đầu từ đó
thyristor mới có thể dẫn dịng giống như một điơt theo chiều thuận.
 Điện trở tương đương khi dẫn dòng theo đặc tính vơn-ampe, rV,
 Sụt áp trên thyristor theo chiều thuận ứng với một dịng điện nào đó, UV.
 Giá trị dòng ngược qua thyristor ứng với một điện áp ngược nào đó, IV,rev.

 Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, IV (A)
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt
độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép.
Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện
làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu
chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngồi ra Thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức
nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van
bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dịng điện theo các
điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:
 Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến 30% IV.
 Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng đến 60% IV.
13