Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
LỜI NÓI ĐẦU
WX#"WX

Trong những năm gần đây lónh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển
mạnh mẽ.
Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai
thác tất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ với động cơ một
chiều
Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lónh vực điều khiển động cơ
không đồng bộ roto lồng sóc.
“Thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”
Nội dung và các chương trình mục như sau:

Chương 1: sơ lược về động cơ không đồng bộ .

Chương 2: tổng quan về các hệ thống biến tần, nguyên lý làm việc của các bộ biến
tần.

Chương 3: mạch động lực, đi sâu vào nguyên lý làm việc của các thiết bò cũng như
các phương pháp tính toán chọn mạch và bảo vệ mạch, hệ thống điều khiển ứng dụng
kỹ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch.

Chương 4: hệ thống điều khiển: ứng dụng kó thuật xung số vào mạch điều khiển để
điều khiển hoạt động của mạch
Tuy nhiên với trình độ có hạn không tránh khỏi những sai sót, em mong các
thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để giúp em tiến bộ hơn.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện –bộ môn tự động đo lường
đã chỉ bảo trong thời gian làm đề tài.

Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004
Sinh viên thực hiện

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 1
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
SƠ LƯC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM
I- CẤU TẠO:
I-1: Cấu tạo phần tónh (stato)
Gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.
I-1.a Vỏ máy:
Thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000 kw), thường dùng thép
tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố đònh và không dùng để dẫn từ.
I-1.b Lỏi sắt:
Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại.
Lỏi sắt là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách
điện. Mặt trong của lõi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn .
I-1.c Dây quấn :
Dây quấn được đặt vào các rãnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lỏi sắt. Dây quấn stato
gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120
o
điện.
I-2 Cấu tạo phần quay (roto):
I-2 a Trục :
Làm bằng thép, dùng để đở lỏi sắt roto.
I-2-b Lỏi sắt:
Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato. Lỏi sắt được ép trực tiếp lên
trục. Bên ngoài lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn.

I-2.c Dây quấn roto:
Gồm hai loại: loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc.
* Loại roto kiểu dây quấn : dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng
số cực stato. Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (y). Ba đầu kia nối vào ba
vòng trượt bằng đồng đặt cố đònh ở đầu trục. Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa
điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ.
*Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn này khác với dây quấn stato. Mỗi rảnh của
lỏi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu
bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là
lồng sóc.
I-3 Khe hở:
Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm). Do đó roto là một
khối tròn nên roto rất đều.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 2
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

II- ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
- Cấu tạo đơn giản.
- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha.
- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n
1
.
Trong đó:
n tốc độ quay của roto.
n
1
tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST

Trang 3
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
B- NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra
một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây
quấn roto một sức điện động e
2
sẽ sinh ra dòng điện i
2
chạy trong dây quấn. Chiều của sức
điện động và chiều dòng điện được xác đònh theo qui tắc bàn tay phải.


M







Hình.1-1 sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ.

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài,
còn dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong.
Dòng điện i
2
tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn
roto và mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường.
Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n

1.
Có sự
chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i
2
và
mômen. Vì tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ
không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:
1
1
n
nn
S
−
=
(1-1)

Trong đó:
N là tốc độ quay của roto.
F
1
tần số dòng điện lưới.
P số đôi cực.

N
1
tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ).
p
f
n

1
60
1 =
(1-2)
Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n
1
thay đổi làm cho n thay đổi.
Khi mở máy thì n = 0 và s = 1 gọi là độ trượt mở máy.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 4
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Dòng điện trong dây quấn và tư ø trường quay tác dụng lực tương hổ lên nhau nên
khi roto chòu tác dụng của mômen m thì từ trường quay cũng chòu tác dụng của mômen m
theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n
1
thì nó phải nhận một công
suất đưa vào gọi là công suất điện từ.

60
2
ω
1n
π
MMP 1đt ==
(1-3)
Khi đó công suất điện đưa vào:

(1-4)
ϕ
cos 31 IUP =

Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato.
2
1
2
11
3 IrPd =Δ
(1-5)

Tổn hao sắt:
st
st
PP
PPPP đt1đt ΔΔ −−=
Δ=Δ
(1-6)

Công suất cơ ở trục là:
Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn roto:
Trong đó:
M số pha của dây quấn roto.
2
Vì p’ < p do đó n < n
2 đt 1
Công suất cơ của p
2
đưa ra nhỏ hơn p’
2
vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn
hao phụ khác:

Hiệu suất của động cơ:
60
2
.'
2
n
MMP
π
(1-7)
ω
==
2Δ dP= đt2 PP
mP
−
(1-8)
(1-9)
2222 rId =Δ
(1-10)
fcơ pPPP
Δ
−
Δ
=
= 22 '
)9,08,0(
1
2
÷==
P

P
η
(1-11)
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 5
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

C- CÁC ĐẠI LƯNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ.
1. Các đại lượng
1.a Hệ số trượt:
Để biểu
thò mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của roto n và tốc độ của từ trường quay
stato n
Ta có :
Hãy tính theo phần trăm:
ét về mặt lý thuyết giá trò s sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100
o
/
o


Trong đó :
1.b Sức điện động của mạch roto lúc đứng yên.
1.
1n
1
nn
s
−
=

oo
n1
oo
nn
S 100
1
−
=

X
)1(1 snn −=
60
1
1
p
f
n =


Trong đó
:


á xác đònh ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì roto
đứng yên nên:
F
20
bằng với tần số dòng điện đưa vào f
1

K
2
là hệ số dây quấn roto của động cơ.
F
20
tần so




mWfKE
Φ
= 220220 44,4
t t
ư
ømạchtron
g
thôn
g

(1-12)
(1-13)
(1-14)
(1-15)
(1-16)
(1-17)
ư
øcủa đạïi cực số trò
m
φ

1pn
20
f =
60
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 6
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

.c Khi roto quay:
1
Tần số trong dây quấn roto là:

Vậy f
2s
= s.f
1
Với f
2s
= s.f
1
thế vào (1-19), ta được:
2. P

Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là:

hương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha.
2.a Phương trình đặc tính tốc độ.
có biểu điện roto đã qui đổi
về stato.

9) chính là quan hệ giữa
tato i’
2
với độ s hay với tốc độ n.
Do đó biểu thức (1-29) chính là phương trình đặc tính tốc độ.
2.b Phương trình đặc tính cơ
Theo sơ đồ đẳng trò một pha như hình (1-2), ta thức dòng
Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1.
Nếu điện áp đặt lên cuộn stato u
1
= const thì biểu thức (1 –2
dòng điện roto đã qui đổi về s
.

ó hai giá trò cực đại gọi là
Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds = 0.

Biểu thức (1-35) chính là phương trình đặc tính cơ. Được biểu diễn quan hệ m = f(n)
như hình 1-3
Giá trò s sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mômen quay sẽ c
mômen tới hạn (m
t
).
60
)(
1
1
1 pn
n
nnpnn

X
60
1
2
f
s
−
==
−
mKWfE ss
(1-18)
(1-19)
Φ
= 2222 44,4
SK m
(
(1-21)
1-20)
WfE s
Φ
= 12 44,4 22
2
21
2
2
1 )'()( xx
S
r +++
1
2

'
'
r
U
I =
(1-29)
(1-35)
()
⎥
⎥
⎦
⎢
⎢
⎣
++
⎟
⎠
⎜
⎝
+
211
1
'xx
s
r
ω
⎤⎡
⎞⎛
=
2

2
2
21
'
'3
r
rU
M
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 7
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
S
S
S
S
M
M
th
th
+
=
2
th
a có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn m
t
gọi là hệ số trượt tới hạn.


a

Hình 1-3. Đặc tính cơ của ng cơ không đồng bộ.
Nhận thấy dạng g ương trình đặc tính cơ như sau:
ối với động cơ roto lồng sóc, nhất là các động cơ có công suất lớn thì

1
<< x

T

Do đó ta được biểu thức mômen tới hạn :

Giải các phương trình (1-35), (1-36), (1-37) và đặt :


T được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ:




độ
ần đúng của ph
Đ
R
n
, nên có thể bỏ qua r
1
và ε = 0.
Ta có:

2
21
2
2
2
)'(
'
xxr
r
S
th
++
=
(1-36)
)(2
3
22
11
1
1
n
th
xrr
pU
M
++
=
ω

2
(1-37)
(
)
ε
ε
2
12
++
+
=
s
s
s
s
M
M
th
th
th
ε
(1-38)
(1-39)
s = 0

M
n= 0
M
th
M

S
th
n
1
n
đm
+s

đm
nxr
r
22
1
2
'
+
=
ε
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 8
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Nhận xét: từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu u
1

ay đổi thì s
t
2
điện trở mạch roto bằng
ách thêm điện trở phụ (đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì:
M

t
= const và s
t
tỉ lệ với r’
2
.
Khi x sẽ có hai giá trò khác
hau và ứng với hai trạng thái làm việc của động cơ.
s = 0 , n
1
< n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát.
s > 0 , n
1


số đến đặc tính cơ :
th
= const và m
t
thay đổi tỉ lệ với u
1
. Khi thay đổi
c
ét đến điện trở trên mạch stato r
1
thì mômen tới hạn m
t
n
*

2
'r

22
' n
tF
xr
S
+
−=
(1-

43)


)(2
`3
22
11
1
1
n
tF
xrr
Up
M
++
−=
ω
(1-44)

*
> n trạng thái làm việc của động cơ.


22
1 n
xr +
2
'r
s =
tđ
(1-45)


3. nh hương của các thông
áp lưới cấp động cơ không đồng bộ
3.a nh hưởng của suy giảm điện
(1-37) m
th
giảm bìn
điện áp lưới theo (1-36) thì s
th
3.b n g mạch stato :
Khi điện áp lưới suy giảm, theo h phương lần độ suy giảm của
vẫn không thay đổi.
h hưởng của điện trở, điện khán

(1-37) iảm.
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato thì theo (1-36) và

s
th
và m
th
đều g
3.c nh hưởng của số đôi cực p
Ta có :
p
f
1
1
2
π
ω
=
(1-47)
suy ra
)1( s
:
1
−
=
ω
ω
(1-48)
khi thay đổi số đôi cực thì tốc độ từ trường quay
1
ω
thay đổi, do đó tốc độ động cơ
cũng thay đổi .

3.d nh hưởng của thay đổi tần số lưới f
1
cấp cho động cơ không đồng bộ :
Theo (1-47) và (1-48) khi thay đổi f
1
thì
1
ω
cũng thay đổi và do đó
ω
cũng thay đổi.
- nếu f
1
>f
1đm
, vì m
th
2
1
1
f
≈

m
th
giảm nên u
1
không đổi
- nếu f
1

< f
1đm
, với u
1
không đổi thì theo (1-1) dòng i
1
tăng nhanh. Điều này không cho
nên khi
)(2
22
xrr
M
++
=
ω
tđ
3
2
1
pU
(1-46)
11
1
n
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 9
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
phép n
háp điều khiển tốc độ động cơ và các luật ;
ên khi thay đổi f

1
thì phải thay đổi u
1
theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng
bộ sinh ra được momen như trong chế độ đònh mức.
4. Các phương p
4.a Điều chỉnh điện áp động cơ :
Momen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên có thể
điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ bằ
ng cách thay đổi điện áp trong khi giữ
4.b Điều chỉnh điệ
nguyên tần số.
n trở mạch roto :
Ta có : r = r
r
+ r
f
, khi tăng giá trò điện trở tổng r tức là làm tăng độ trượt tới hạn s
th
còn momen tới hạn m
th
của động cơ không đổi.
4.c Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ
:
Luật điều khiển tần số
âng đổi. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải kho
stato thì có thể tính được momen tới hạn :
2

⎞
0
2
0
2
⎟
⎠
⎜
⎝
ω
ω
m
Bss
th
LL
22
⎟⎜
⎛
=∗=
ssm
U
K
UL
M
(1-49)
Điều k
iện giữ cho khả năng quá tải không đổi là:
dm
thth
M

M
M
M
=
(1-50)
Luật điều chỉnh từ thông không đổi :
Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy
hoặc từ thông của stato
s
φ
không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào tần số và m
th
sẽ
toàn bộ quá trình điều chkhông thay đổi trong ỉnh
Luật điều chỉnh tần số không trược .

2
.
3
ssm
IL
ω
μ
=
(1-51)
22
)(1
2
ss
r

I
R
ω
+
Nếu giữ tần số f không trược ws = const thì mô men chỉ phụ thuộc is mà không
phụ thuộc tần số nguồn.
4.d Phương pháp tăng số lần chuyển mạch trong một chu kỳ.


Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 10
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
4.e Phương pháp điều chỉnh biên độ (u
d
thay đổi→ u
nl
thay đổi )


ÂĐiều khiển biên độ

4.f Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung :
- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác đònh bằng cách so sánh
Giữa tín hiệu hình sin mẫu e(t) với tín hiệu dựa thường dạng răng cưa u(t). Tần số tín
hiệu u(t) càng lớn lớn thì điện áp ra tải càng gần hình sin hơn. Ưu điểm nổi bật là vừa điều
chỉnh được điện áp, vừa làm sin hoá điện áp đặt vào động cơ.
- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều chỉnh độ rộng
Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao.
- Do vậy phương pháp này rất hay sử dụng.
- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần thì
Không nhận điện áp từ lưới mà nhận điện áp từ nghòch lưu của biến tần
- Ta nhận thấy rằng sdd của dây quấn của stato trong động cơ không đồng bộ tỉ
Lệ với tần số đặt vào f
1
và từ thông
φ
:
11
fkE
φ
=
(1-52)
- Mặt khác, ta có phương trình cân bằng điện áp :
(1-53)
1111
ZIEU +−=
Nếu coi sụt áp trên dây quấn phản ứng phần ứng là không đánh kể thì ta có :
U
1
= - e
1

••
=
E
U

Từ (1-52) suy ra : (1-54)
1
1
fk
U
φ
=
•


Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 11
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Từ (1-54) ta thấy, để đảm bảo cho đặt tính cơ có độ cứng cao và khả năng qua tải
lớn, đồng thời điều chỉnh điện áp u
1
sao cho từ thông
φ
không đổi, nghóa là thay đổi
1
1
f
U
=

φ
để cho động cơ hoạt động tối ưu.
- Nếu tần số f
1
giảm thì từ thông
φ
tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá tăng.
μ
I
- Nếu tần số f
1
tăng thì từ thông
φ
giảm, dẫn đến dây quấn roto bò quá dòng .
- Mặt khác ta có :
constICM
=
=
22
cos
ϕ
φ

Do đó việc yêu cầu thay đổi tốc độ động cơ là phải thay đổi điện áp và tần số một
cách hợp lý nhất để động cơ hoạt động tối ưu.
Đối với bộ biến tần nguồn áp điều khiển tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp và tần số
theo:
- Thay đổi điện áp : u
1
=

d
U
α
bằng các thay đổi góc điều khiển
T
T
1
: =
αα

- Thay đổi tần số bằng cách thay đổi chu kỳ phát xung điều khiển nghòch lưu.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 12
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN
A- KHÁI NIỆM :
Biến tần là một thiết bò tổ hợp các linh kiên điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần
số và điện áp một chiều hay xoay chiều có tần số nhất đònh thành dòng điện xoay
chiều có tần số điều khiển được nhờ các khoá điện tử.
B- PHÂN LOẠI:
Biến tần được chia làm hai loại :
1. Biến tần trực tiếp :
Còn được gọi là biến là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển
mắc song song ngược cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng
xoay chiều trên tải.
chỉnh lưu
lọc
Nghòch lưu
Như vậy điện áp xoay chiều u

1
(f
1
) chỉ cần qua
một van là chuyển ngay ra tải với u
2
(f
2
).
Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ
đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện
co công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay
đổi tần số f
2
khó khăn và phụ thuộc vào f
1
.
2. Biến tần gián tiếp:
Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập
trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu
thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại
dòng xoay chiều với tần số f
2
nhờ bộ nghòch lưu độc
lập (quá trình thay đổi f
2
không phụ thuộc vào f
1
)
T1

Z tải
T2




Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần
Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối
đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn.
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng
nghòch lưu áp và nghòch lưu dòng.


2.a Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 13
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của động
điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là
tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy đònh.
2.b Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp :
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp ( nghóa là điện trở
nguồn bằng 0 ). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn
dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy đònh.
Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dãi
biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận
điều khiển,
Bộ biến đổi
( mạch động lực )

Đ
iều khiển
U
1
, f
1
U
2
, f
2






+ Phần động lực gồm có các phần sau :
- Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f
1
thành dòng
một chiều.
- Bộ nghòch lưu : là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện
một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f
2
.
- Bộ lọc : là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành
phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó
có tác dụng sang bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu.
+ Phần điều khiển:
Là bộ phận không thể thiếu được quyết đònh sự làm việc của mạch động lực,

để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển
quyết đònh.
Bộ điều khiển nghòch lưu gồm 3 phần:
- Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến
bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzito. Khâu này đảm nhận điều
chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng
khuếch đại xung.
- Khâu phân phối xung :làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu
phát xung chủ đạo.
- Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ
phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 14
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Sơ đồ của hệ thống điều khiển như sau:

Phát xung
chủ đạo
Phân phối
xung
Khuyếch
đại xung
Van

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 15
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 16
Chỉnh Lưu

Lọc
N
g
hòch
lưu
Tải
CHƯƠNG III
MẠCH ĐỘNG LỰC






I.
BỘ NGHỊCH LƯU:
Các van bán dẫn trong bộ nghòch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito. Nhưng phù hợp
và ưu việt hơn ta dùng tranzito. Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng, hơn nữa
các tổn hao đổi chiều nhỏ hơn. Bộ nghòch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn
bộ nghòch lưu tương đương dùng thyristo. Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục
vào cực gốc trong chu kỳ dẫn của tranzito, một khuyết điểm nữa là điện áp đònh mức thấp
hơn của thyristo. Tuy nhiên dùng tranzito công suất mở rộng được phạm vi và phát huy
các ưu điểm hơn thyristo do cải thiện được đại lượng đònh mức và giá thành. Vì vậy, dưới
đây chủ yếu xem xét nghòch lưu điện áp sơ đồ cầu dùng van an toàn.
I-1. Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch:

T4
D4
T6
Za
Uv
T1
Co
D1
T3
D6 T2
D2
Zb
Zc
T5
D3 D5

Tụ c
o
có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bò thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng
lượng phản kháng với cuộn cảm.
Phương pháp điều khiển các van tranzito thông thường nhất là điều khiển cho góc
mở của van là và . đây ta xét góc dẫn ới tải đấu sao như thiết kế
bằng cách xác đònh điện áp trên tải trong từng khoảng thời gian 60
o
180=

λ
o
120=
λ
o
(vì cứ 60
o
có một sự
chuyển tạng thái mạch ) với nguyên tắc van nào dẫn coi là thông mạch. Nhìn chung sơ đồ
này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song song nha. Do vậy điện áp trên tải sẽ
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
chỉ có giá trò là u
z
/3 (khi một pha đấu song song, với 1 trong 2 pha còn lại) hoặc .
Với giả thiết là tải đối xứng.
3/2
z
U
¾ Nguyên tắc chuyển mạch :
Cho góc mở của mỗi tranzito là 180
o
và cứ 60
o
tiếp theo ( kể từ khi tranzito trước đó
mở thì cho 1 tranzito khác mở). Như vậy trong cùng 1 thời gian co 3 tranzito mở.
Bảng trạng thái quá trình mở các tranzito
T 0

o
60÷

oo
12060 ÷

oo
180120
÷

oo
240180
÷
oo
300240 ÷

oo
360300
÷
T
1
1 1 1 0 0 0
T
2
0 1 1 1 0 0
T
3
0 0 1 1 1 0
T
4
0 0 0 1 1 1
T
5

1 0 0 0 1 1
T
6
1 1 0 0 0 1

Xét quá trình chuyển mạch từ t5 sang t2 tương ứng khoảng từ (
oo
600
÷
) sang
( )
oo
12060 ÷
Trong khoảng ( ) thì t1, t5, t6, dẫn. Chiều dòng điện trên tải được xác đònh
theo chiều mũi tên, đến thời điểm 60
oo
600 ÷
o
thì đảo trạng thái từ t5 sang t2. Do trên tải zc mang
tính cảm nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lượng tích luỹ trong zc duy trì
theo chiều cũ một thời gian, lúc đó buộc dòng diện duy trì phải thoát qua diod d
2
, qua tải
về âm nguồn đến lucs dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng điện duy trì thì d
2
khoá. Quá
trình chuyển mạch kết thúc.
Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h e.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 17

Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC


























Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 18
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

I-2.Dạng sóng mạch nghòch lưu:I-2.Dạng sóng mạch nghòch lưu:


θ



θ

θ

θ

θ

θ

θ
θ
θ

θ

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 19
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Ta tính điện áp trên từng pha tải, trước tiên là pha a
Trong khoảng 0
o
– 60

o
(h a)
ZAf
UU
3
1
=

Trong khoảng 60
o
– 120
o
(h b)
ZAf
UU
3
2
=

Trong khoảng 120
o
– 180
o
(h c)
ZAf
UU
3
1
=

Trong khoảng 180
o
– 240
o
(h d)
ZAf
UU
3
1
−=

Trong khoảng 240
o
– 300
o
(h e)
ZAf
UU
3
2
−=

Trong khoảng 300
o
– 360
o
(h f)
ZAf
UU
3

1
−=

Tương tự ta tính được các pha b, c.
¾ Bảng chuyển trạng thái của diod:

0
o
60
o
120
o
180
o
240
o
300
o
D1 1 0 0 0 0 0
D2 0 1 0 0 0 0
D3 0 0 1 0 0 0
D4 0 0 0 1 0 0
D5 0 0 0 0 1 0
D6 0 0 0 0 0 1

I-3. Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghòch lưu :
Theo đề cho :
Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Công suất đònh mức : p
dm

= 1kw,
Tốc độ đònh mức n = 1450 (v/p).
Hệ số cos
ϕ
= 0.95.
Điện áp lưới : 220/380 v.
Hiệu suất :
9.0=
η

Hệ số quá tải :
8.1=
λ

===
9.0
1000
1
η
dm
P
P
111.1 (w)
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 20
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
)(77.1
95.0*220*3
1.111
cos3

cos3
1
1
A
IU
P
IIUP
dmdmdm
dmdmdmdm
==
=⇒=
ϕ
ϕ

==
ϕ
cos
1
fdm
f
f
I
U
R
9.11795.0*
77.1
220
=

a.
Tính chọn tranzito:
Điện áp pha cực đại của động cơ :

=
maxf
U
)(1.3112*220 V=

Điện áp đầu vào của bộ nghòch lưu:
Vì
=
maxf
U
z
U
3
2
nên
7.4661.311*
2
3
2
3
max
===
fz
UU

Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi tranzito :

zng
UU
=
max
= 466.7 (v). Chọn hệ số quá
áp của tranzito là K
v
= 1.6, thì cần phải chọn tranzito chòu được áp ngược là
1.6*466.7 =746.72 (v).
==
zvng
UKU
Vì tải đấu hình sao nên dòng qua mỗi tranzito lúc cực đại bằng dòng chỉnh lưu
==
max
Z
T
II
)(5.22*77.12 AI
dm
==

Với hệ số quá dòng K
i
= 1.2 , do đó ta phải chọn tranzito chòu được dòng :

== IKI
I
T
1.2 * 2.5 = 3 (A).

Căn cứ vào kết quả trên, theo bảng I.2 Tranzito công suất trang 18, Sách điện tử
công suất Nguyễn Bính
Tranzito đã chọn có mã hiệu BUX - 47 Có các thông số sau :
- =850 V :Điện áp V
CE
V
ce
cực đại khi cực badơ bò khoá bởi điện áp
âm.
-
0C
E
V
=400V :Điện áp V
ce
khi cực badơ để hở .
- =1.5V : Điện áp V
CEsat
V
ce
khi tranzito ở trạng thái bảo hoà.
-
C
I
= 9A : Dòng colectơ mà tranzito có thể chòu được.
-
B
I
= 1.2 A : Dòng badơ mà tranzito có thể chòu được.
- = 0.8

f
T
μ
:Thời gian cần thiết để
C
E
V
,
C
I
tư goá trò
C
I
giảm xuống 0.
- =
s
T
s
μ
3 : Thời gian cần thiết để từ giá trò tăng đến điện
áp nguồn.
CE
V
CEsat
V
- = 125(w) :Công suất tiêu tán cực đại bên trong tranzito.
m
P
b. Tính chọn diod:

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 21
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Dòng điện pha tải có ba đoạn khác nhau trong nữa chu kỳ :
-
o
600 ÷
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
−+
−=
−
Q
N
A
e
a
aa
R
E
i
θ

3
1
)2)(1(
1
3
(1)
-
o
12060 ÷
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+
−=
−
Q
N
A
e
a
a
R
E
i

θ
3
2
1
)1(
2
3
(2)
-
o
180120 ÷
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
−+
+=
−
Q
N
A
e
a
aa
R

E
i
θ
3
1
)2)(1(
1
3
(3)

với
3
3
.0tan ===
ϕ
ω
R
L
Q

36.0
3
1
33.0*3
1
==
−
=
−
e

Q
ea

Tại
1
θ
θ
=
, dòng qua tải pha A bằng 0: i
a
= 0.
Từ (1) ta có
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
−+
−=
−
Q
N
A
e
a
aa

R
E
i
θ
3
1
)2)(1(
1
3
= 0

)2)(1(
1
ln
)2)(1(
1
ln
3
1
3
1
aa
a
Q
aa
a
Q −+
+
−=⇒
−+

+
=−
θ
θ


25.0
)36.02)(36.01(
36.01
ln33.0
3
1
=
−+
+
−=
θ


o
3.14
1
=⇒
θ
Trạng thái chuyển mạch Diod, tại thời điểm
θ
= 0, Diod D
1
dẫn và dòng qua Diod
cũng là dòng qua tải, lúc này dòng qua Diod cũng là dòng cực đại của Diod:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−+
−==
3
max1
1
)2)(1(
1
3
)0(
a
aa
R
U
iI
d
AD

=
)(49.1
36.01
)36.02)(36.01(
1

9.117*3
7.466
3
A−=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−+
−

nếu chọn hệ số quá tải dòng điện qua Diod là 1.2 thì Diod chọn phải chòu dòng là:

)(8.149.1*2.1 AI
D
=
=

Điện áp đặt ngược đặt lên mỗi Diod là:
)(2.3117.466*
3
2
3
2
3
2
VUUU

dzng
====

Chọn hệ số quá áp là K
v
= 1.6, thì Diod chọn phải chòu được điện áp ngược là
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 22
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

)(4982.311*6.1. V
ng
U
v
k
ng
U
=
==

ta chọn Diod loại B10 của Liên Xô theo bảng I1 trang 11 sách Điện Tử Công Suất
của Nguyễn Bính.
c. Tính chọn tụ C
o
:
03.3
33.0
11
cot ====
ϕ

ϕ
tag
g
X
R
L

Trong nghòch lưu có 3 pha không tải lúc nào cũng cần tụ C
o
khi nguồn E
n
là mạch
chỉnh lưu.
Nếu ta có tỷ số
L
X
R
> 0.66 thì không cần đến tụ C
o
và dòng do điện cảm tải pha
này sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác (quẩn trong hệ ba pha tải )
Trường hợp tỷ số
L
X
R
< 0.66 ta cần đưa tụ C
o
vào với hệ số là :

)12ln2(

3
.
2
max
−
Δ
=
c
n
o
UR
LE
C
thường lấy
nc
EU 1.0
=
Δ


F
ER
XE
n
Ln
μ
23.010.23,0
1,0*314*9,117*3
)12ln2(*33,0
)12ln2(

.1,0.314.3
.
6
2
2
==
−
=
−=
−

tụ C
o
phải chòu điện áp U
c
= U
z
= 446,7 (V). nếu chọn hệ số về áp để tụ hoạt động
an toàn là 1,3 thì
U
c
'
=446,7*1,3 = 580,7
Vậy phải dùng loại tụ có điện dung 0.23uF và chòu điện áp là 600 v.

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 23
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC

II- BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ĐIỆN ÁP :

Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố
đònh mà không cần điều chỉnh điện áp ra tải. Bộ điều chỉnh này hoạt động theo nguyên
tắc đóng, cắt nguồn tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện
nhiệm vụ đó là các van bán dẫn, do chúng làm việc trong mạch một chiều nên chỉ dùng
thyristo thông thường nó không được khoá lại 1 cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp
nguồn như khi làm việc với dòng xoay chiều. Nên ở đây có mạch chuyên dùng để khoá
thyristo gọi là “ mạch khoá cưỡng bức” gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy hiện nay
người ta các van điều khiển cả đóng và ngắt như tranzito bilolar.
Do
Ud
it
it
T

tải

iz
II-1. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều chỉnh điện áp :

Sơ đồ mạch và dạng sóng :










Trong khoảng thời gian
1
0 T
÷
ta cho van T mở toàn bộ điện áp được đưa đến tải,
còn trong khoảng thời gian,
TT
÷
1
ta cắt nguồn ra khỏi tải, lúc này giá trò trung bình của
điện áp ra tải là:
,
1
1
1

0
'
0
1
dz
d
T
d
d
T
z
ZUU
U
T
T
dtU
T
dtU
T
U
=⇒
==
=
∫
∫

với Z =
T
1

Theo biểu thức trên, suy ra 3 phương pháp điều chỉnh điện áp U
d
:
+ T = const , T
1
= var :Phương pháp độ rộng xung .
+ T = var, T
1
= const : Phương pháp tần số xung .
+ T = var, T
1
= var : Phương pháp xung thời gian.
Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 24
Sinh Viên thực hiện: TƯỞNG MINH SIÊU Lớp02D4 -GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC
Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp tần số xung và phương pháp xung thời
gian có nhiều nhược điểm. Tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớn mới có thể
cung cấp một dải điện áp đầu ra. Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi được gặp nhiều
khó khăn. Tong trường hợp mức điện áp ra thấp nếu ta điều khiển theo phương pháp này
sẽ làm thời gian lớn gây nên hiện tượng gián đoạn dòng điện.
off
T
Việc sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung tránh được phần nào nhược
điểm trên nên nó có tính thích hợp cao hơn, do đó ta chọn phương pháp này để điều khiển.
II-2. Tính chọn Tranzito T:

đây ta dùng phương pháp độ rộng xung
Gọi T
1

: thời gian mở.
T
2
: thời gian khoá của Tranzito.
U
d
: điện áp trước bộ biến đổi.
Ta có điện áp trung bình sau bộ biến đổi là :

d
T
ddz
UZU
T
dtU
T
U
∫
===
1
0
11

Chọn tần số làm việc của bộ biến đổi là f = 500Hz

s
f
TTT 002.0
1
21

==+=⇒

Phạm vi điều chỉnh điện áp của ta là :
0.2 ,
=
min
Z
=
max
Z
0.8 ,
Nếu cho sụt áp trên cuộn dây bộ lọc không đáng kể do đó giá trò điện áp phía sau bộ biến
đổi tại thời điểm cực đại của điện áp chính là :

)(4.583
8.0
7.466
max
max
V
U
U
z
===
α

Chọn hệ số quá áp K
u
= 0.6
Vậy phải chọn Tranzito chòu điện áp là:

)(5.9334.583*6.1. VUKU
duTdm
=
=
=

Một cách tương đối ta xem hiệu suất của bộ nghòch lưu là
η
= 0,9. Theo đònh luật
bảo toàn năng lượng, ta có:
)(38.2
7.466*9,0
1000
A
U
P
I
P
IU
dm
dm
z
dm
zz
===⇒
=
η
η

Vậy chọn dòng điện cực đại qua Tranzito là
=
max
I
2,49 (A). Chọn hệ số dự trữ
dòng
=
I
K
1,2. Vậy phải chọn Tranzito sao cho thoả mãn dòng qua đó là:
)(868.238.2*2.1*2,1*
maxmax
AIIKI
I
T
=
=
==

Đồ án môn học: §IƯN Tư C¤NG ST
Trang 25