thiết kế bộ biến tần xung vuông điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng bjt theo luật u f

Lời mở đầu
Trong công nghiệp,động cơ điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ
chiếm tỉ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác.Bên cạnh kết cấu đơn giản,hiệu
suất cao,giá thành hạ người ta còn quan tâm đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động
cơ.Trong thực tế sản xuất và tiêu dùng,các khâu cơ khí sản xuất cần tốc độ thay
đổi.Song khi chế tạo,mỗi động cơ điện lại được sản xuất với một tốc độ định
mức,vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ các động cơ điện là rất cần thiết. Bài tập
lớn này là thiết kế bộ biến tần xung vuông điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha
sử dụng BJT theo luật U/F.

Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ
1.1.

Tổng quan về cơng nghê.

Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ như thay đổi
điện trở phụ mạch rô to,thay đổi số đôi cực…Một phương pháp khác để điều
khiển động cơ là thay đổi tần số theo luật U/F hay sử dụng biến tần để điều
khiển. Ngày nay do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh
được chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp
năng lượng điện có tần số thay đổi,do đó phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng
thay đổi tần số đang được áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống
truyền động điện một chiều. Trong bài tập lớn này,ta thiết kế bộ biến tần xung
vuông điều khiển động cơ dị bộ 3 pha rô to lồng sóc theo luật U/F. Biến tần là
thiết bị biến đổi dòng xoay chiều với tần số của lưới điện thành dịng xoay chiều
có tần số khác với tần số của lưới.Ưu điểm của biến tần là có thể điều chỉnh tốc
độ động cơ theo mong muốn,tiết kiệm điện, khống chế dịng khởi động của động
cơ,giúp cho q trình khởi động êm,giảm chi phí lắp đăt.Động cơ khơng đồng
bộ rơ to lồng sóc có mạch điện được làm bằng nhơm hoặc đồng thau.Nếu làm
bằng nhơm thì được đúc trực tiếp vào rãnh rơ to.Nếu làm bằng đồng thì được
làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh.Hai đầu được gắn với nhau bằng

2 vòng ngắn mạch.
Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có:
1


U1=E1=4.44f1W1kcd1 hay U1=kff1. (1)
Từ (1) ta thấy rằng nếu thay đổi f 1 mà giữ nguyên U1 = const thì từ thông
sẽ thay đổi.Việc này sẽ làm thay đổi hệ số cos 1, hiệu suất và tổn hao lõi thép.Do
vậy yêu cầu là phải giữ nguyên từ thông không đổi.
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động
cơ không đổi trong phạm vi điều chỉnh,do đó phải giữ cho M max = const.Muốn
vậy phải giữ từ thông không đổi.Với điều kiện năng lực q tải khơng đổi có thể
tìm ra mối quan hệ giữa điện áp U1,tần số F1 và mô men M.
Mmax được biểu diễn:
Mmax = C với C là hệ số.
Gọi U’1,M’1 là điện áp và mô men lúc tần số F’1, ta có
M’max/M’ = Mmax /M hay M’/M = M’max / Mmax =))

Do vậy ta có

'
U1
U1

=

'
f1
f1

.

M'
M

Thực tê u cầu mơ men không đổi nên
Hay

'
U1
U1

=

'
f1
f1

.

U1/F = const.

Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tần số là phạm vi điều chỉnh
rộng,độ điều chỉnh láng,tổn hao điều chỉnh nhỏ.
1.2.

Yêu cầu công nghệ.

Công nghệ này sử dụng biến tần xung xuông.Tham số động cơ xoay chiều
3 pha là U pha =220 VAC, P=10 kw, f=0-100 Hz, cos=0.82, điều khiển theo luật

U/F.Cần có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị mong muốn.Có khả năng
điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng
điều chỉnh mô men khơng đổi.Có khả năng cung cấp dịng điện định mức ở mọi
tần số.Thiết bị càng nhỏ gọn càng tốt,mỹ quan,sản phẩm kinh tế.
1.3.

Phạm vi ứng dụng.
2


Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơng nghiệp sử
dụng hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rô to
lồng sóc.Biến tần cơng suất nhỏ có thể dùng để điều khiển những máy công tác
như:cưa gỗ,khuấy trộn,nâng hạ…Đối với các ứng dụng trong ngành dệt,nhuộm,
nhựa…việc sử dụng biến tần sẽ làm tăng năng xuất lên so với khi sử dụng nguồn
trực tiếp.Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ như ngành giấy ,dệt,bao bì…
việc sử dụng biến tần là tất yếu nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ.

3


Chương 2:Tính chọn mạch cơng suất
2.1. Giới thiệu các mạch công suất đã biết
Trong các bộ biến đổi điện tử công suất,các phần tử bán dẫn được sử
dụng như những khóa bán dẫn hay các van bán dẫn.Khác với các phần tử có tiếp
điểm,các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dịng điện mà khơng tạo ra tia lửa
điện,khơng bị mài mịn theo thời gian,các tín hiệu điều khiển của các van bán
dẫn công suất rất nhỏ và phụ thuộc vào quy luật điều khiển của các van bán
dẫn.Vì vậy có tổn hao rất nhỏ và đạt hiệu suất cao.
Biến tần được chia làm 2 loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.

-Bộ biến tần trực tiếp: Biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số đầu ra f2
bằng cách đóng cắt dịng xoay chiều tần số f1.Mạch van khá phức tạp và số
lượng van lớn.Việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1.Thông
thường bộ biến tần trực tiếp chỉ tạo ra tần số f2 < f1.
-Bộ biến tần gián tiếp:Trong bộ biến tần này điện áp xoay chiều đầu vào
biến thành một chiều tần số f1 nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó điện áp một chiều biến
thành điện áp xoay chiều có tần số f2 nhờ mạch nghịch lưu áp độc lập.
Ngày nay biến tần gián tiếp được dùng phổ biến vì có thể điều chỉnh tần
số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng mặc dù hiệu suất thấp.Việc thay đổi tần
số f2 không phụ thuộc vào f1trong một dãy rộng cả trên và dưới f1.
Với công nghệ này ta sử dụng biến tần gián tiếp để điều khiển động cơ
khơng đồng bộ 3 pha rơ to lồng sóc.
Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp
Mạch chỉnh lưu
(U1,F1)

Mạch nghịch lưu
Bộ Lọc

(U2,F2)

*,Mạch chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn Tiristo điều khiển hoàn toàn.Sau
đây là một số mạch chỉnh lưu em đã biêt.Những mạch chỉnh lưu này em xin
trình bày khái qt về sơ đồ ngun lí,cơng thức tính tốn.Mạch chỉnh lưu cụ
thể được sử dụng trong công nghệ này sẽ được xét chi tiết hơn ở phần sau.
4


-Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.
T

U1

Ud

U2

t
t1

L

R

t

Id

Đối với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ trên sóng điện áp ra một chiều sẽ bị
gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm.Do vậy
khi sử dụng mạch chỉnh lưu nửa chu kì ,trị số điện áp khơng tốt.
Trị số điện áp tải trung bình lớn nhất .
Ud = 0.45 U2.
Công suất máy biến áp tổng thể.
S=3.09Ud.Id
Đây là mạch chỉnh lưu cơ bản ,sơ đồ nguyên lí rất đơn giản.Tuy nhiên
chất lượng kĩ thuật rất xấu.Do đó nó khơng được dùng nhiều trong thực tê.
-Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha.
A

T1

B
C
L

0
I1

t1

t2

t3

t
t4
t
t

UT1

R

0
I1
I2

t

I3

t

UT1

Id

Ud

Ud
Id

I2
I3

T3

Id

Ud

Ud
Id

T2

t
t1

t2

t3

t4
t
t
t
t

5


Hình a

Hình b

Chỉnh lưu hình tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu
sao có trung tính, ba van dẫn nối cùng cực tính để nối với tải,ba đầu cịn lại của
van bán dẫn nối tới các pha biến áp.Tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp một pha
dương hơn 2 pha cịn lại.Các tiristo chỉ được mở với góc nhỏ nhất tại thời điểm
giao nhau của các điện áp pha.Hình a,hình b cho thấy tại mỗi thời điểm chỉ có
một tiristo dẫn,mỗi tiristo dẫn trong 1/3 chu kì.Dịng tải liên tục (Hình a).Đối với
tải thuần trở thì việc tải liên tục hay khơng phụ thuộc vào góc điều khiển .
Dịng tải liên tục khi < với qui luật điều chỉnh
Ud=1.17U2.cos .
Dòng tải gián đoạn khi > với qui luật điều chỉnh
Ud=1.17U2/.(1+))
So với mạch chỉnh lưu một pha ,mạch chỉnh lưu 3 pha có chất lượng tốt
hơn,biên độ điện áp đập mạch thấp hơn,thành phần sóng hài bậc cao bé hơn.

-Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng
T4

F

T2

U

T1

A

T3

B

E

R

L

Trong nửa chu kì điện áp Uab > 0.Nếu có xung điều khiển đồng thời cho
cả 2 van T1 và T2 thì các van này sẽ dẫn đặt điện áp lưới lên tải.Tương tự T3 và
T4 cho nửa chu kì sau.
Ud=0.9U2.
Đây là mạch chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong thực tê, nhất là điện
áp từ 10V trở lên.Ưu điểm của nó so với mạch chỉnh lưu hình tia là khơng nhất
6

thiết phải có biến áp nguồn.Khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn
xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện.Tuy nhiên trong
công nghệ em không thể sử dụng mạch chỉnh lưu này vì đây là biến tần điều
khiển động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơ to lồng sóc.
-Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
A B C

T3
T5

B

A

0

T1 NA

T6
Uf

T2
T4

NK

t1

R

C

L

A
t

t2

Uf

A

B

C

A

t7

t3
t6
Đây là mạch chỉnh lưu t4 công nghệ này cần dùng đến
mà t5

t

Ud
Ud
t
I1

X1

X6-1

I3
I5

X3

I6
UT1

X2-3

X4-5
X2
X4

t
X5

I2
I4

X1-4

X4-5 t

X5-2

X3-6

Uf

t
X4

X6

t

t

A

B

C

A
t

t
t
t

Ud

t

7


Dòng điện chạy qua van là dòng chạy từ pha này về pha kia.Do đó tại mỗi thời
điểm cần mở tiristo đòi hỏi cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời.Dịng điện sẽ
chạy từ pha có điện áp dương về pha có điện áp âm.
Đây là mạch chỉnh lưu được dùng nhiều nhất trong thực tế.Nó có ưu điểm
là đấu thẳng vào lưới điện bap pha,độ đập mạch rất nhỏ,công suất máy biến áp
xấp xỉ công suất tải.Mặc dù sụt áp trên van gấp đơi sơ đồ hình tia nhưng có
nhiều ưu điểm vượt trội nên nó được ứng dụng rộng rãi với dải công suất rộng.
*,Bộ lọc.
Các bộ lọc một chiều dùng để san bằng.Hệ số san bằng K để đánh giá hiệu quả
bộ lọc.
K = Kdmv / Kdmr
Kdmv là hệ số đập mạch đầu vào.
Kdmr là hệ số đập mạch đầu ra.
Các bộ lọc thông dụng hiện nay
-Lọc điện cảm L

Bộ lọc này chỉ dủng đơn giản một điện cảm mắc nối tiếp với tải.Điện kháng của
điện cảm L càng lớn so với điện trở tải Rd thì lọc càng tốt.Mạch cơng suất lớn
thường có trị số Rd rất nhỏ nên mạch lọc này rất phổ biến trong mạch cơng suất.
-Lọc điện dung C

Bộ lọc này có một tụ điện C đấu song song với tải.Điện kháng của tụ điện C

càng nhỏ so với tải thì lọc càng tốt.Do đó trong mạch cơng suất lớn thì điều này
khó thực hiện.Bộ lọc này thích hợp với mạch cơng suất trung bình và nhỏ.Bộ lọc

8


tụ điện thích hợp cho các bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho mạch điều khiển.Đây là
bộ lọc được sử dụng trong công nghệ.
-Lọc LC

Bộ lọc này được dùng khá phổ biến trong các mạch lọc.Hệ số L và C có quan hệ
theo biểu thức
L.C = 10(K+1)
*,Mạch nghịch lưu.
Mạch nghịch lưu có thể sử dụng các van bán dẫn MOSFET,SCR,BJT.
Mạch dùng MOSFET cho phép chuyển mạch nhanh nhất.Điều khiển đóng
mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đóng mở lên 2 cực, cực cổng G và cực
nguồn S.Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển
mạch khá lớn,có thể lên đến 100kHz,có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van
bán dẫn,việc làm mát tương đối đơn giản.Tuy nhiên công suất làm việc của
MOSFET không cao,khả năng làm việc ở điện áp cao không bằng BJT.Mạch
dùng SCR có q trình chuyển mạch nhanh gọn nhưng cần phải có xung điều
khiển kích vào cực cổng,rất phức tạp.Mạch dùng BJT có cơng suất khá lớn,có
thể chịu điện áp hàng chục kV và dịng điện lên tới vài nghìn A.Tần số cho phép
chuyển mạch khá lớn khoảng 10 kHz,van chuyển mạch nhanh.Tổn hao trong
BJT khá lớn nên các mạch công suất thường có cơng suất nhỏ.Tuy nhiên trong
cơng nghệ này lại sử dụng BJT.Do đó mạch nghịch lưu dùng BJT sẽ được xét
trong các mục sau đây.
2.2 .Chọn mạch công suất phù hợp và tính tốn.
Động cơ điện có cơng suất P=10 kw,tần số 0-100 Hz, cos=0.82,điện áp

pha 220V.
9


Từ các thông số trên đây em chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
dùng tiristo.Sử dụng bộ lọc LC.Mạch nghịch lưu sử dụng BJT.
*Mạch nghịch lưu.
Mạch nghịch lưu này sử dụng tranzito BJT nhưng vẫn cần sử dụng các
điôt tái sinh .
Sơ đồ mạch nghịch lưu áp 3 pha

Động cơ
Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha rơ to lồng sóc.
Hoạt động mạch nghịch lưu trên.
Thứ tự mở các van là van 1,2,3/ 2,3,4/ 3,4,5/ 4,5,6/ 5,6,1/ 6,1,2.Thời điểm
mở các van cách nhau .Khoảng dẫn mỗi van là .Tại bất kì thời điểm nào cũng
có 3 van dẫn.
Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:
-Trong khoảng 0-t1:Tr1,Tr6,Tr5 dẫn.Uza = E/3.
-Trong khoảng t1-t2: Tr1,Tr2,Tr6 dẫn,Uza=2E/3.
-Trong khoảng t2-t3: Tr1,Tr2,Tr3 dẫn,Uza= E/3.

10


Giá trị hiệu dụng của điện áp pha.
Up = /3 E.
E đóng vai trị là Ud của bộ chỉnh lưu.
Up=Udm= 220V.
Tần số định mức Fdm = 50Hz

Do vậy tỉ số U/F = 220/50 =4.4
Tần số dao động từ 0 – 100Hz. Vì vậy Fmax = 100Hz .
Theo luật U/F = cont nên giá trị hiệu dụng lớn nhất Upmax = 440V.
Động cơ đấu hình sao.Do vậy điện áp dây lớn nhất
Udmax = .Upmax = 762V.
Chọn hệ số an toàn về điện áp là Ku = 1.2
Điện áp lớn nhất mà van có thể chịu được là 914,4V.
Cơng suất động cơ P = 10kw.
Cos = 0.82
11


Dòng điện định mức động cơ.
Idm = 10000/(32200.82) = 18.48A
Dòng điện lớn nhất của động cơ là dòng điện khởi động.Đối với động cơ
lồng sóc ,nhờ có các biện pháp khởi động làm giảm giá trị dòng điện khởi động
của máy và điều tốt nhất là giá trị khởi động Ikd = 2 – 2.5 Idm nên ở đây ta chọn
dòng khởi động gấp 2.5 lần dòng định mức.
Dòng điện lớn nhất mà van chịu được là 18.482.5=46.2A.
Ta chọn 6 transistor ESM 3007 có Vce =1000V;Vceo = 700V;Ic=50A.
-Tính chọn linh kiện bảo vệ Diot của mạch nghịch lưu.
Điện áp pha ứng với tần số lớn nhất là 100Hz là 440V
Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được khi làm việc là
Ungmax = 4402.45 =1078V
Trị số trung bình dịng điện lớn nhất ra tải là 46.2.Dịng điện trung bình
qua van là : Itbv =15.4A
Ta chọn 6 diot bảo vệ B25 cho các khóa điện tử transistor.Các thơng số
của B25 : Itb = 25A.Udm= 1200V.
*Mạch lọc C
Tổng trở tải định mức Z = Udm/Idm =11.9

Cos=0.82 nên sin = 0.57
R=Z.0.82=9.76;Xt=Z.0.57=6.78
Tụ điện lớn nhất được tính theo cơng thức gần đúng
Cmax = 1.3(Xt/)=0.092528 =92528F.
*,Mạch chỉnh lưu
Điện áp trung bình chỉnh lưu lớn nhất ứng với tần số f = 100Hz ứng với
Up = /3. E
E =933.4V
E/2.34400V.Giả sử bộ chỉnh lưu lấy từ điện áp lưới với Udm =220V.Vì
vậy trong mạch chỉnh lưu này ta cần sử dụng máy biến áp.Điện áp thứ cấp của
biến áp pha nguồn U2 =400V.
Tỉ số máy biến áp m =U2/U1 =1.82.
12


Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi tiristo phải chịu
Ung =2.45U2 =980V
Giá trị trung bình dịng điện chảy qua tiristo
Iv=18.48/2=9.24A
Ta chọn hệ số an tồn về điện áp là Ku=1.6,dịng điện là Ki = 1.2
Vậy thực tế ta chọn loại tiristo có điện áp ngược cực đại,dịng điện ngược
cực đại:
Ungm=1568V,Ingm =11A
Ta chọn 6 Tiristo loai T86N có Itb =86A.Ungm=1600V.

Sinh viên : Bùi Quang Huy
Lớp

:DTD51-DH2

13