Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor

§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ BÀI: ĐỀ SỐ 36
Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor
Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế biến tần xung vuông
U=380VAC, I=50A, f= 0 F 120Hz,
Cosφ=0.8
Điều khiển theo luật U/f
Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN
Sinh viên: ĐÀO VĂN MỸ
Hải Phòng, năm 2012
Lời giới thiệu
1
Đồ án điện tử công suât Gvhd: Đoàn Văn Tuân
Trong thi i cụng nghip húa, hin i húa t nc, ngnh cụng nghip cú
mt vai trũ ht sc quan trng nhm thỳc y s phỏt trin nn kinh t. Yờu cu
trc ht l phi a k thut cụng ngh ng dng vo thc t sn xut. T ng
húa ngy cng cú vai trũ quan trng, bi hiu qu lm vic, tớnh an ton v tin
dng ca nú. Cỏc dõy truyn sn xut hin i mang li hiu qu cao c ng
dng ngy cng rng rói. S ra i ca ng c in vo cui th k XIX ó to
nn tng quan trng cho s phỏt trin ca ca ngnh in sau ny. Ngy nay, ng
c in ó c ng dng rng rói, cú vai trũ khụng th thiu trong cụng nghip v
trong i sng sinh hot. So vi tt c cỏc ng c in dựng trong cụng nghip
ng c khụng ng b c dựng nhiu hn c, vi kiu dỏng gn nh, cú th ch
to vi nhiu cụng sut khỏc nhau, s dng n gin, giỏ thnh r ó dn thay th
cỏc loi mỏy in mt chiu. ỏp ng c nhu cu ca sn xut cụng nghip,
ngi ta ó ngh ra cỏc thit b in nhm phc v cho hot ng ca ng c

nhng ch lm vic khỏc nhau. B bin tn ra i giỳp thay i tn s ca mng
in cp cho ng c. Nh ú m ng c cú th lm vic d dng lm vic m
khụng phi thay i tn s lm vic ca nú. Ni dung cỏc phn trong bi thit k
nh sau :
Chng 1 : Tng quan v cụng ngh bin
Gii thiu v ng c khụng ng b v cỏc h thng bin tn.
Chng 2 : Tớnh toỏn v thit k mch cụng sut
Mch ng lc, i sõu vo nguyờn lớ lm vic ca h thng thit b cng nh cỏc
phng phỏp tớnh chn mch v bo v mch.
Chng 3 : Thit k mch iu khin
ng dng ca k thut xung s iu khin hot ng ca mch

2
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân ,cùng các thầy cô giáo khoa
Điện- Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian
vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình thiết kế còn tồn
tại những sai sót, mong các thầy côgiáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện
hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
3
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN
1.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
1.1.1 Khái niệm chung
-Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ. Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy.
- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì
chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, dải công
suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp. Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha,
còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

1.1.2 Cấu tạo:
Cũng như các máy điện quay khác,động cơ không đồng bộ ba pha cũng gồm các bộ
phận chính sau:
-Phần tĩnh (stator)
-Phần quay (rotor)
Hình 1.1: Động không đồng bộ roto dây quấn.
4
Đồ án điện tử công suât Gvhd: Đoàn Văn Tuân
a/Stator:
Gm cú v, lừi thộp, dõy qun:
-V mỏy: Lm nhim v bo v mch t v gi cht lừi thộp stator, v cú dng
tr rng, cú chõn c nh mỏy trờn b v cú hai np mỏy hai u trc
mỏy v bo v phn u dõy qun. Cỏc mỏy cú cụng sut bộ thỡ thng l v bng
nhụm, cũn cỏc mỏy cú cụng sut trung bỡnh v ln thng lm bng gang.
-Lừi thộp: Lm nhim v dn t v c ghộp t cỏc lỏ thộp k thut in vi
nhau (nhm chng dũng in xoỏy) theo mt hỡnh tr rng. Mt trong ca cỏc lỏ
thộp c dp thnh cỏc rónh t cun dõy stator.
-Dõy qun stator: c qun thnh tng cỏc mụ bin, m cỏc cnh ca mụ bin ú
c t vo lừi thộp stator. Cỏc mụ bin c cỏch in nhau v cỏch in vi lừi
thộp.
b/Rotor:
Gm cú lừi thộp, trc mỏy v dõy qun:
-Lừi thộp roto cng c dp t cỏc lỏ thộp k thut in cú dng hỡnh trũn v mt
ngoi ca cỏc lỏ thộp ú c dp thnh cỏc rónh t cun dõy, cũn gia c
dp l trũn lng trc mỏy. Cỏc lỏ thộp núi trờn c ghộp li vi nhau thnh mt
tr trũn m gia l lng trc mỏy, mt ngoi ca tr l cỏ rónh t dõy qun
rotor. Thng cỏc lỏ thộp rotor c tn dng phn bờn trong cỏc lỏ thộp ca stator.
-Trc mỏy lm bng thộp tt v c lng cng vi lừi thộp rotor. Trc c
bi hai bi trờn hai np mỏy.
-Dõy qun rotor cú hai loi: loi rotor kiu lng súc v rotor kiu dõy qun.

+Loi rotor kiu lng súc: Dõy qun rotor l cỏc thanh dn bng ng thau hoc
nhụm c t trong rónh v b ngn mch bng hai vnh ngn mch hai u.
Vi ng c nh dõy qun rotor c ỳc nguyờn khi gm thanh dn, vnh ngn
mch, cỏnh tn nhit v cỏnh qut lm mỏt. Cỏc ng c trờn 100kw thanh dn lm
5
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch.
Hình 1.2: Dây quấn roto kiểu lồng sóc.
+Loại rotor dây quấn: Cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator
và có cùng số cực từ dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có ba
đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục. Ba chổi
than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao
nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
1.3.1.Nguyên lý hoạt động
-Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất
hiện từ trường quay với tốc độ n
1
=60 f/p (f là tần số lưới điện, p là số cặp cực). Từ
trường quay này sẽ quét lên dây quấn, nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn
stator xuất hiện dòng I
2
chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ
thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor
tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor.
6
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Hình 1.3: nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ.
1.1.4 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ.
+Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng
sóc

Xuất phát từ biểu thức:ω
1
=
P
f
1
.
2
π
. ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc độ từ
trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo.
Khi f
1
>f
1đm
ta có :
↓ S
th
=
( )
↑
+
f
LL
P
f
R
1

'
21
1
'
2
1
.
2
π
(1.1)
X
1
= ω
1
L
1
; X
2
’= ω
1
L
2
’

+Mô men tới hạn sẽ giảm theo quy luật :
↓ M
th
=
( )
↑

+
f
LL
P
f
U
2
1
'
21
2
2
1
1
.
2
1
2
8
π
(1.2)
+Thực tế khi f
1
tăng để đảm bảo đủ M
nm
cho động cơ và tốc độ làm việc của động
cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép.
ω
max
bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

+Khi f
1
<f
1đm
tức là khi f
1
giảm ta có :
Khi f
1
giảm ω
t
giảm S
th
tăngM
th
tăngX
nm
giảm thì M
th
giữ ở không đổi.
7
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
+Khi f
1
>f
1đm
thì M
th
tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Hình 1.4 : Đặc tính cơ của động cơ không động bộ khi thay đổi tần số f

1.
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ
trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp khi nguồn
cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm (vì tổng trở của mạch tỉ lệ
thuận theo tần số). Điện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh,
do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ cho
momen theo chế độ với giá trị định mức.
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:
+Khi f
1
< f
1đm
với điều kiện
f
U
1
1
= const thì M
th
giữ không đổi
+Khi f
1
>f
1đm
thì M
th
tỉ lệ nghịch với bình phương tần số
8

§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ
trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng.
1.1.5 Phương trình đặc tính cơ.
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế :
Hình 1.5 Hình 1.6
Ta có dòng điện stator :
(1.3)
Trong đó :
X
nm
= X
1d
+ X’
2d
điện kháng ngắn mạch
U
1f
trị hiệu dụng của điện áp pha stator
+Phương trình đặc tính của động cơ :
(1.4)
Đường đặc tính của động cơ như hình hình 1.6
Với
(1.5)
S
th
là hệ số trượt tới hạn cửa động cơ
(1.6)

9
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
1.1.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ.
a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ.
khi điện áp lưới suy giảm thì theo (1.5) và (1.6) mômen tới hạn M
th
của động cơ sẽ
giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn S
th
vẫn không đổi

Hình 1.7: Đặc tính cơ khi suy giảm điên áp cấp cho động cơ.
b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator.
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1.1) và (1.2) cả S
th
và M
th
đều giảm.

Hình 1.8: đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở mạch stato
c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor.
10
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
đối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch rotor để
hạn chế dòng khởi động thì S
th
= val và M
th
=const.

Hình 1.9: Đăc tính cơ khi thay đổi điên trở roto
d) Ảnh hưởng của tần số

Xuất phát từ biểu thức trên ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ của
từ trường quay và từ thay đổi tốc độ động cơ
Từ (1.1) và (1.2) ta thấy : Nếu X
nm
=
ω
1
L cho nên khi thay đổi tần số
S
th ,
M
th
=const
Hình 1.10: Đặc tính cơ khi thay đôi tần số
11
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
e) Ảnh hưởng của số đôi cực p
để thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì

Vì vậy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ từ trường quay
ω
1
thay đổi dẫn đến tốc
ω
thay đổi theo
1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha
1.2.1) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f

1
Xuất phát từ biểu thức ω= ω
0
(1-s) = 2Πf
1
(1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần
số f
1
ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ. Do máy điện
được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnh
hưởng đến chế độ công tác của máy.
Vì U
1
=E
1
= 4,444.f
1
.K
tp1
.W
1
.Ф.10
-8
= KФ.f
1
Nếu điện áp U
1
= Const thì khi f
1
tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện

tượng giảm mô men trong máy. Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòng
điện. Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện. Còn nếu ta giảm f
1
thì từ thông Ф sẽ
tăng lên, điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng.
Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U
1
cho phù hợp
nhằm giữ cho Ф là không đổi.
*Qui luật thay đổi tần số:
Khi điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải là hằng số thì chế độ làm việc của
máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như làm việc với tải định mức.
Như vậy khi điều chỉnh phải luôn thỏa mãn điều kiện :
K
qt
= M
th
/M
c
=const.
Nếu coi r
1
≈ 0 từ biểu thức của M
th
ta có

:
12
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
2

1
'
21
2
1
1
'
2110
2
1
th
)fX(X
P
4π
3U
)fxf(x2ω
3U
M
+
=
+
=
(1.7)
)(
.
)(
4
3
M
M

2
1
2
1
2
1
'
21
2
1th
ω
π
λ
cc
Mf
U
A
fXX
P
U
=
+
==
(1.8)
Thay thế M
c
= f(ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đúng của máy sản
xuất và coi ω ≈ ω
0
=

( )
( )
x
x
x
dmcc
f
p
MM
p
f
1.
1
.
2
.
2
π
ω
π
=⇒
Như vậy ta có λ =
( )
x
f
U
B
A
+2
1

2
1
.
Do đó để thỏa mãn điều kiện λ =const ta có:
( )
( )
x
dm
x
dm
f
f
U
U
+
+
=
2
2
1
2
1
2
1

Từ đó suy ra quy luật biến đổi của điện áp:
( )
( )
x
dm

x
dm
f
f
U
U
+
+
=
2
2
11
(1.9)
Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vào tải:
- Kiểu máy tiện x=-1
- Kiểu máy nâng x=0
- Ma sát nhớt x=1
- Quạt gió x=2
1.2.2) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp
Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ
Ta có:M
max
≈ C
1
.U
1
2
Khi U
1
giảm nhỏ hơn U

1dm
→ M
th
giảm còn S
th
=const
Dựa vào đặc tính tới hạn M
gh
(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị
U cho trước nhờ quan hệ M
u
= M
gh.
U*
2
• Nhược điểm của phương pháp:
13
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
- Khoảng điều chỉnh chỉ đến n
th
- máy có thể ngường quay nếu như giảm quá điện áp
-Khi U
1
giảm trong khi đó M
c
, P
dt
vẫn không thay đổi dẫn tới I
2
tăng vì vậy nó ít

được sử dụng trong thực tế.
Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể dùng biến áp
tự ngẫu, điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato.
1.2.3) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực
Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Khi thay đổi số đôi cực, tốc độ từ trường quay thay đổi dẫn tới tốc độ của roto
thay đổi theo.
ω = ω
0
(1-S)
)1(
2
1
S
p
f
−=
π
(1.10)
Để thay đổi số đôi cực thì động cơ phải được chế tạo đặc biệt.Những máy điện
kiểu đó gọi là máy điện đa tốc độ. Số đôi cực có thể được thay đổi bằng hai cách:
-Cách 1 : Dùng hai tổ đấu dây quấn stato riêng biệt, mỗi tổ có số đôi cực riêng
-Cách 2: Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm hai đoạn,thay
đổi cách nối dây giữa 2 đoạn đó sẽ thay đổi được số đôi cực.
Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ
dây quấn stato. Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi cực theo cách hỗn
hợp.
• Trên thực tế người ta giải quyết như sau:
-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → Y
Y

-Đổi nối sao -sao kép: Y → Y
Y
Khi đó: S
thYY
=S
∆
S
thYY
=S
th Y
(1.11)
3
2
=
∆th
thYY
M
M
2
1
=
thYY
thY
M
M
14
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
2
1
.

.
=
∆cpc
cpYYc
M
M
M
c.cp
=M
c.cpYY
• Ưu khuyết điểm:
- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng, không cồng kềnh
- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vì p là số nguyên.
1.2.4) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:
Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn.
-Khi thay đổi điện trở thì tốc độ không tải lý tưởng không đổi, momen tới hạn
không đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi .
• Ưu nhược điểm:
-Ưu điểm: +có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc
-Nhược điểm : + chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm.
+Tổn hao công suất lớn
+Không điều chỉnh được khi động cơ không tải.
1.3. CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN
1.3.1 khái quát chung của biến tần.
Cấu trúc chung của bộ biến tần như hình sau:
15
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Hình 1.11: Cấu trúc cơ bản của biến tần.
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha.
Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều
có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay
chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất
định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển
nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức
năng sau:
- Theo dõi sự cố lúc vận hành
- Xử lý thông tin từ người sử dụng
- Xác định thời gian tăng momen tốc độ
- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu
- Kết nối với máy tính.
16
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
- …
Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van
công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch
công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển.
Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như
tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ
thống.
Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi
chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra còn
có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu
vào…
Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này
thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định.
Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó.
- tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính –1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ
1.3.2 Khái niệm chung
a/ Khái niệm và công dụng :của bộ biến đổi tần số:hay còn gọi là các bộ biến tần là
thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số
khác mà có thể thay đổi được
Đối với bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài
việc thay đổi tần số chúng ta còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới
cấp vào bộ biến tần.
b/Phân loại
-Biến tần quay
17
UKT
c)
220/ 380V; 50 Hz
IKT
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Là máy phát điện xoay chiều, khi thay đổi điện áp kích từ, tốc độ quay máy phát
thay đổi nên tần số thay đổi.
π
ω
==
2
p.
fhay,
60
p.n
f
Trong ®ã:
f – tÇn sè ®iÖn ¸p tÝnh b»ng hec Hz;
n – tèc ®é quay tÝnh theo vßng/phót;

ω
- tèc ®é quay tÝnh theo radian/gi©y;
p – sè ®«i cùc m¸y ®iÖn.
-Biến tần tĩnh


H1.2 Sơ đồ khối bộ biến tần trực tiếp
-Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trực
tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ biến tần trực
tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều
khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm chỉnh lưu trên ta được dòng xoay
chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U
1
(f
1
) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay
18
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
ra tải với U
2
(f
2
). Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc van rất phức tạp chỉ sử
dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f
2
khó khăn và phụ thuộc vào f
1
.
- Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu túc tổng thể như sau:

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu:
-Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều
-Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra của
khâu chỉnh lưu là hằng.
-Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một
chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f
2
Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U
1
,f
1
) được chuyển
thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp xoay
chiều với điện áp U
2
tần số f
2
. Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất
biến tần. song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f
2
không
phụ thuộc vào f
1
trong dải rộng cả trên và dưới f
1
vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào
mạch điều khiển. Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và nghịch
lưu dòng.
+Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng
+Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

c/Điều khiển theo luật U/f
+Thay đổi tần số để thay đổi tốc độ động cơ
19
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
+Tuy nhiên khi tần số f thay đổi thì điện áp cũng thay đổi theo tương ứng để tránh
tăng mật độ từ thông gây ra tăng dòng từ hoá
1.3.3: Chỉnh lưu
a/Chỉnh lưu là sử dụng mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để
biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều gọi là mạch chỉnh lưu.
Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một
chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô
tuyến.
b/Phân loại:
-Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt
-Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt và thyristor
-Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor
c/ Ứng dụng
• Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử
• Cấp điện cho các thiết bị điện cơ sử dụng năng lượng DC: động cơ DC, cuộn coil
DC cho relay, contactor, nam châm điện DC…
• Truyền động thay đổi tốc độ động cơ DC bằng chỉnh lưu có điệu khiển.
• Biến đổi năng lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện.
1.3.4: Nghịch lưu
a/Nghịch lưu điện một là bộ biến đổi chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số đầu
ra có thể thay đổi cung cấp cho các tải xoay chiều:
• Đầu ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) không đổi: UPS, các bộ đổi tần cho
các thiết bị đặc biệt.
• Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC
• Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần.
Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau, có thể có cùng mạch động lực

nhưng điều khiển khác nhau cũng tạo thành các tính chất khác nhau
b/Phân loại
20
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
• Nghịch lưu song song và nối tiếp
+ Sử dụng SCR đóng ngắt và có tụ điện để tắt SCR.
+ Bao gồm nghịch lưu nối tiếp và nghịch lưu song song sơ đồ cầu và
sơ đồ biến áp có điểm giữa
• Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp
+ Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha)
+ Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha)
c/ Ứng dụng của nghịch lưu
- Biến tần công nghiệp điều khiển tốc độ động cơ
- Các bộ nguồn tần số cao
- Bộ nguồn xung có sử dụng nghịch lưu
- Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn
1.3.5: Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần.
a/ yêu cầu:
- Đáp ứng điều kiện tải: Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn
cấp hoặc đảo chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác,
đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong
nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy
bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ
lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào
21
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có
thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào.
- Dễ điều khiển, vận hành.
- Thỏa mãn tiêu chuẩn quốc tế.

- Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa đối với các máy biến tần.
- Thiết kế máy biến tần nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí sản xuất.
b/ Các phương pháp điều khiển
+) Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn
có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu. Tín hiệu
này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của
tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van
công suất. Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.Trong
quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo
độ rộng xung đơn cực và theo độ rộng xung lưỡng cực.
Hình 1.9. Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung
(v
01
là thành phần sin cơ bản, v
i
là điện một chiều vào bộ nghịch lưu,
v
o
là điện áp ra )
Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực,
điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực.
Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:
- Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)
- Điều chế vectơ không gian (SVM)
22
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
+) Phương pháp điều khiển U/f = const
Sđđ của cuộn dây stato E
1

tỷ lệ với từ thông Φ
1
và tần số f
1
theo biều thức:
(1.11)
Từ công thức trên nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z
1
, ta có E
1
≈ U
1
. Do
đó:
Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U
1
/f
1
không đổi. Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U
1
/f
1
được giữ không đổi và
bằng tỷ số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm
tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E
1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do
dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau.
(1.12)

(1.13)
Và momen tới hạn:
Khi hoạt động ở định mức:
(1.15)
Ta có công thức sau:
(1.16)
23
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
Với f
1
– là tần số làm việc của động cơ, f
1đm
– là tần số định mức. Theo luật
U/f = const :
Ta thu được: U
1
= aU
1đm
(1.17)
f1 = af
1đm
Phân tích tương tự, ta cũng thu được ω
0
= aω
0đm
; X
1
= aX
1đm
; X’

2
= aX’
2đm
. Thay các
giá trị trên vào (1.12) và (1.13) ta thu được công thức tính momen và momen tới hạn
của động cơ ở tần số khác định mức:
(1.18)
(1.20)
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X
1
và X’
2
phụ thuộc vào tần số
trong khi R
1
lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1
+ X’
2
) >>
R
1
/a, sụt áp trên R
1
rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ
gần như không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R
1
/a sẽ tương đối lớn
so với giá trị của (X

1
+ X’
1
) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải
lớn. Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ
điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan
24
§å ¸n ®iÖn tö c«ng su©t Gvhd: §oµn V¨n Tu©n
hệ sau: U
1
= U
0
+ Kf
1
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=U
đm
tại f = f
đm
. Khi a > 1 (f > f
đm
), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi
đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối
quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển
U/f=const:
Hình 1.10: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ hình 1.10 ta có nhận xét sau:
-
Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định

mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức.
Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
CHƯƠNG II :TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT CHO BỘ
BIẾN TẦN BA PHA
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT
2.1.1 Bộ biến tần trực tiếp ba pha
1. Biến tần trực tiếp có thể trao đổi năng lượng với lưới điện một cách liên tục. Nhất
là đối với các động cơ công suất lớn và cực lớn từ hàng trăm Kw đến vài Mw.
25