công nghệ biến tần điều khiển động cơ

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)
a/Stator:
Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn:
-Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator, vỏ có dạng
trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục
máy và bảo vệ phần đầu dây quấn. Các máy có công suất bé thì thường là vỏ bằng
nhôm, còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang.
-Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện với
nhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng. Mặt trong của các lá
thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator.
-Dây quấn stator: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của mô bin đó
được đặt vào lõi thép stator. Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõi
thép.
b/Rotor:
Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn:
-Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn và mặt
ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được
dập lỗ tròn để lồng trục máy. Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành một

trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn
rotor. Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator.
-Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor. Trục được đỡ
bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
-Dây quấn rotor có hai loại: loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn.
+Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc
nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu.
Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn
mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm
bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch.
+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.
1.1.3.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 n1=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 I2 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.
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 f1
Xuất phát từ biểu thức ω= ω0 (1-s) = 2Πf1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần
số f1 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 U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1
Nếu điện áp U1 = Const thì khi f1 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 dòngđiện.
Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện. Còn nếu ta giảm f1 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 U1 cho phù hợp
nhằm giữ cho Ф là không đổi.
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:Mmax ≈ C1.U1 2
Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const
Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị
U cho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2
• Nhược điểm của phương pháp:
- Khoảng điều chỉnh chỉ đến nth
- máy có thể ngường quay nếu như giảm quá điện áp
-Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn không thay đổi dẫn tới I2 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 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:
-Nhược điểm :
+có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc
+ 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.
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.
- …
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
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.
-Biến tần tĩnh
-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 U1(f1) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay
ra tải với U2(f2). 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 f2
khó khăn và phụ thuộc vào f1.
- Bộ biến tần gián tiếp
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 f2
Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được chuyển

thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp xoay
chiều với điện áp U2 tần số f2. 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 f2 không
phụ thuộc vào f1 trong dải rộng cả trên và dưới f1 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
+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
• 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
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.
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)
Đề 5 : Thiết kế biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha dùng
thyristor.
Thông số:U=380 VAC;I=60 A;f=0-120 Hz, cosφ=0,78. Điều khiển theo luật
U/f
Chương 2: Tính chọn mạch công suất
2.1 Phương án chọn mạch công suất
2.1.1 Biến tần nguồn dòng gián tiếp
Hình 2.1. Biến tần nguồn dòng gián tiếp
Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu
thyristor. Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên
nguồn dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song
song. Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot cách

ly. Dòng ra nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối
sin nếu phụ tải là động cơ.
Trên sơ đồ ta thấy : sơ đồ gồm cầu chỉnh lưu điều khiển I và cầu biến
tần II. Trong sơ đồ biến tần mỗi thyristor được nối tiếp thêm một diot. Trong
mỗi nửa cầu có 3 tụ điện.Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm L
d
cấp cho cầu
biến tần dòng hằng I
d
. Các thyristor T
1
và T
6
đã cắt dòng một chiều I
d
thành
2 khối chữ nhật, 1 khối dương và 1 khối âm, mỗi khối dài 120
0
điện. Khối nọ
cách khối kia 60
0
điện. Tại bất cứ thời điểm nào cũng chỉ có 2 thysristor cho
dòng chảy qua.
Các thyristor được điều khiển mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1……
Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc.
Giây quấn được quấn theo hình sao. Các pha stator của động cơ M lệch nhau
120
0
về thời gian lần lượt nhận dòng điện I
d

lệch nhau 120
0
về thời gian để
tạo ra từ trường quay mà tốc độ quay quyết định bởi mạch điều khiển cầu
biến tần. Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động
+/ Hoạt động của sơ đồ:
Sau đây ta xét quá trình chuyển dòng điện I
d
từ pha a sang pha b.
Giả thiết thyristor T
1
và Diot D
1
đang mở cho dòng I
d
chảy vào pha a
để rồi qua pha c và trở về cầu chỉnh lưu.Quá trình chuyển mạch bắt đầu kể
từ khi cho xung điều khiển mở T
3
. Lúc này
ϕ
sin6Uu
ab
−≈
< 0 nên T
3
và
diot D
3
khoá.Trạng thái trước lúc chuyển mạch, khi t < t

o
.
Dòng I
d
chảy qua T
1
- D
1
- pha a – pha c : U
AB
= +U0; U
BC
= 0; U
CA
=
-U
0
Các diot D
3
và D
5
bị khoá.Khi cho xung mở T
3
, thyristor T
1
bị khoá
bởi điện áp ngược U
AB
. Dòng I
d

lập tức chảy qua T
3
rồi rẽ thành 2 nhánh,
nhánh thứ 1 qua C
1
, nhánh thứ 2 qua C
2
và C
3
. Cả 2 nhánh hợp lại qua diot
D
1
để vào pha a. Dòng I
d
được phân bổ như sau: I
C1
= 2/3 I
d
; I
C2
= I
C3
=
1/3 I
d
Những dòng điện này nạp cho các tụ điện tương ứng, làm cho các
điện áp chúng biến đổi một cách tuyến tính trong khoảng thời gian t
0
– t
2

.
Xin lưu ý, khi t = t
1
, U
AB
= 0, vậy khoảng thời gian t
1
– t
0
là cần thiết
để thyristor T
1
khoá lại.Điện áp trên D
3
là U
BA
+ u
ab
= U
BA
– u
ba
, lúc này
ϕ
sin6Uu
ab
−≈
.Sau t
1
, U

AB
< 0 tức U
AB
> 0 giả thiết khi t
2
tổng điện áp
U
AB
+ u
ba
= 0, diot D
3
bắt đầu mở cho dòng chảy qua.

Hình 2.2. Sơ đồ đẳng trị
Khi t = t
2
,

diot D
1
và D
3
cùng dẫn dòng, pha a và b bị nối ngắn mạch
tại điểm B, hình thành một mạch vòng dao động với tần số góc riêng của
mạch là :
CL3
1
0
=

ω
Sau ¼ chu kỳ dao động, dòng I
a
= 0, vậy : t
4
– t
2
=
2
3
2
CL
o
Π
=
Π
ω
Khi t = t
4
, dòng I
b
= I
d
. Kết thúc quá trình chuyển mạch từ pha a sang
b.
Lúc này : U
AB
= -U
0
; U

BC
= +U
0
; U
CA
= 0
Các tụ điện được nạp tới điện áp nêu trên để chuẩn bị chuyển mạch từ
T
3
sang T
5
. Thời gian khoá của các thyristor thông thường cũng nhỏ thua
thời gian chuyển mạch. Vì vậy, đối với tần số dưới 100Hz, không cần dùng
thyristor tác động nhanh.
+/ Trị số của các tụ điện chuyển mạch.
Công thức kinh nghiệm
C
max
=
2
1max1
1
202.091.0666.0









−+
L
if
U
L
fU
fi
mn
m
m
nm
Hình 2.3. Dạng sóng dòng điện và điện áp ra trên một pha
Dòng điện ra có dạng gần như bậc thang. Điện áp ra có dạng như hình
sin nhưng mang các đỉnh nhọn tại các thời điểm chuyển mạch.
+/ Nhận xét
Sơ đồ bộ biến tần dòng ba pha này đơn giản và làm việc tin cậy, đang
được sử dụng rộng rãi để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba
pha kiểu lồng sóc.
Dòng điện các pha của động cơ có dạng hình sin chữ nhật. Nó là một
hàm chu kỳ, lẻ , đối xứng qua trục hoành. Khai triển Furie của nó không
chứa số hạng hằng và các số hạng hàm cosin.
Biên độ của sóng cơ bản
Π
=
Π
=
Π
=
∫∫

Π
Π
Π
d
d
I
dIdiI
32
sin
2
sin
2
6
5
6
0
1
max
θθθθ
Giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản:
d
I
I
I
Π
==
6
2
1
max

1
2.1.2 Biến tần nguồn áp gián tiếp
Sơ đồ bao gồm cấu hình chỉnh lưu diot I, tụ điên C chứa năng lượng
phản kháng, cầu diot II và cầu biến tần III. Tải là động cơ điện 3 pha không
đồng bộ kiều lồng sóc. Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho
phép dòng điện tải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I
chỉ cho dòng chảy qua 1 chiều.
Hình 2.4. Biến tần nguồn áp gián tiếp
+/ Hoạt động của sơ đồ
Trong sơ đồ này mỗi thyristor dẫn dòng trong 180
0
điện. Trong sơ đồ
cầu biến tần, ngoài giai đoạn trùng dẫn,lúc nào cũng có 3 thyristor dẫn dòng(
hai ở nhóm này và 1 ở nhóm kia). Khi thyristor thuộc nhóm anot chung mở
thì dòng điện chảy từ nguồn dương vào tải, còn khi thyristor thuộc nhóm
catot chung mở thì dòng điện chảy từ tải về nguồn âm.
Xét trường hợp cả 3 pha đấu theo hình sao. Trường hợp này, mỗi pha
tải , hoặc đấu song song với pha tải khác rồi nối tiếp với pha tải thứ 3, hoặc
nối tiếp với 2 pha đấu song song với nhau. Vì vậy điện áp đặt trên mỗi pha
tải bằng E/3 khi nó đấu song song với pha tải khác, bằng 2/3E khi nó nối
tiếp với 2 pha đấu song song. Trong một chu kỳ có 6 tổ hợp thyristor dẫn
dòng: 561, 612, 123, 234, 345, 456. Trên hình vẽ có giới thiệu dạng điện áp
pha A và pha B.
Từ v
A
và v
B
vẽ ra điện áp dây u
AB
= u

A
– u
B
.
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha, ví dụ của pha A, được xác định như
sau:
( )
dtuU
A
∫
Π
Π
=
2
0
2
2
1
Ed
E
d
E
d
E
U 816.0
33
2
3
1
3

2
3 3
2
22
3
0
2
=
















+







+






Π
=
∫ ∫∫
Π
Π
Π
Π
Π
θθθ
Vì đã biết dạng điện áp trên tải nên có thể xác định được dòng tải.
Trên hình có trình bày dạng của dòng tải pha A, khi tải mang tính cảm
kháng. Dòng điện i
A
bao gồm những đoạn đường cong tăng cường và suy
giảm theo hàm mũ.
+/ Nhận xét
Sơ đồ có thể dược sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ điện 3 pha. Cầu
chỉnh lưu I cho phép điều chỉnh điện áp E cung cấp cho biến tần III. Một vấn
đề được đặt ra là khi biến đổi giá trị của E thì liệu các tụ điện có chức năng
chuyển mạch còn có thể được thực hiện sự chuyển mạch không. Lời giải có
thể dùng một nguồn điện áp phụ có biên độ không đổi để nạp điện cho các tụ
điện chuyển mạch. Điện áp pha, cũng như điện áp dây đều là hàm lẻ, chu kỳ,

đối xứng qua trục hoành. Triển khai Furie của chúng chỉ bao gồm các số
hạng hàm sin.






+++=
7sin
7
1
5sin
5
1
sin
3
2
tttEU
A
ωωω
2.2 Lựa chọn phương án mạch công suất phù hợp
2.2.1 So sánh hai loại biến tần
- Biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp
sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn. Còn
bộ gián tiếp nguồn dòng có dạng áp trên tải phụ thuộc vào các thông số của
tải quy định.
- Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng
một nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển
mạch), dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ

biến tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá
bán dẫn. Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến
tần nguồn áp.
- Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần
nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần
nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó.
- Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn
trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của
hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp.
- Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn
và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng
cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao. Dải điều chỉnh biến
tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp.
2.2.2 Lựa chọn phương án
Dựa vào ưu nhược điểm trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn
áp. Với bộ biến tần loại này có 2 bộ phân riêng : mạch động lực và mạch
điều khiển.
Hình 2.5
Mạch động lực:
- Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số
f
1
thành dòng 1 chiều.
- Bộ nghịch lưu : là bộ phận rất quan trọng trong bộ biến tần, nó
biến đổi dòng 1 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 trong mạch động lực cho
phép thành phần 1 chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và chặn lại thành phần

xoay chiều. Nó có tác dụng san phẳng điện áp tải sau khi chỉnh lưu.
2.3 Mạch nghịch lưu
2.3.1 Lựa chọn phương án nghịch lưu
Ở đây ta sử dụng nghịch lưu nguồn áp dùng thyristor có chức năng
biến đổi tần số và điện áp được thực hiện thông qua luật điều khiển U/f .
Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là các thyristor vì nó không đòi
hỏi tác động liên tục và điện áp định mức cao hơn tranzitor.
+/ Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu
Với mạch khóa cưỡng bức ta dùng mạch chuyển mạch tập chung có
sơ đồ như hình vẽ:
Hình 2.7
Một số điều kiện của mạch công suất trên là :
- Các van trên cùng một nhánh không được mở đồng thời
- Tại mỗi thời điểm bao giờ cũng có 3 van dẫn
- Ta xét thứ tự các van dẫn:
T
0
600
÷
00
12060
÷
00
180120
÷
00
240180
÷
00

300240
÷
00
360300
÷
T
1
1 0 0 0 1 1
T
2
1 1 0 0 0 1
T
3
1 1 1 0 0 0
T
4
0 1 1 1 0 0
T
5
0 0 1 1 1 0
T
6
0 0 0 1 1 1
- Xét lúc các van 1,2,3 mở thì ta có sơ đồ tương đương :
Ta thấy dòng điện sẽ đi từ +E qua van T
1
, tải a và T
3
, tải b rồi qua tải
c, qua T

2
về O.
Ta có: u
a
= 1/3 E = u
b
u
c
= -2/3E

- Xét lúc các van 2,3,4 mở thì ta có sơ đồ tương đương :
Ta thấy dòng điện sẽ đi từ +E qua T
3
và qua tải b rồi qua tải c, a qua
T
2
, T
4
về O. Ta có: u
b
= 2/3E u
a
= u
b
= -1/3E
- Xét các van 3,4,5 dẫn thì sơ đồ tương đương trở thành
Ta có: u
a
= -2/3E u
b

= u
c
= 1/3E
Xét các van 4,5,6 dẫn thì sơ đồ tương đương sẽ là :
Và ta có : u
a
= u
b
= -1/3E u
c
= 2/3E
- Xét các van 5,6,1 dẫn thì ta co sơ đồ tương đương như sau:
Ta có : u
a
= u
b
= 1/3E u
c
= -2/3E
- Xét khi các van 6,1,2 dẫn ta có sơ đồ tương đương như sau:
Ta có: u
b
= 2/3E u
a
= u
c
= -1/3E
Ta có đồ thị điện áp ra như sau:
Hình 2.8. Đồ thị điện áp ra

2.3.2 Tính toán và thiết kế mạch nghịch lưu
Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu:
Theo đề ta có: Động cơ không đồng bộ 3 pha
Điện áp lưới : U = 380VAC
Dòng điện : I = 60A
Tần số : f = 0
÷
120 Hz, chọn f
dm
= 50 Hz
Hệ số công suất : cos φ = 0.78
Chọn hiệu suất : η =0.9
Điện áp định mức : U
đm
= 220 V
Ta tính được :
Công suất đưa vào động cơ :
P
1
= 3U
dm
I
dm
cosφ = 3*220*60*0.78 = 30.888 kW
Công suất định mức :
P
dm
= ηP
1
= 0.9*30.888 =27.8kW

Điện trở stato :
U = I*Z => R = Z* cos
ϕ
= 220/60*0.78= 4.7 (
Ω
)
+/ Tính chọn thyristor
Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và
dòng điện trung bình chảy qua van.
Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần
số của động cơ là f = 0 - 120Hz
Do đó ta có
=
Vậy U
max

==
max
. f
f
U
dm
dm

120= 528 (V)
Điện áp cực đại trên một pha của động cơ:
VU
f
7.7462*528
max

==
Điện áp đầu vào bộ nghịch lưu:
Vì
VUUUU
fzzf
11207.746*
2
3
2
3
3
2
maxmax
===⇒=
Vì điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor
VUU
zng
1120
max
==
Chọn hệ số quá áp của k
v
= 1.6, thì cần phải chọn thyristor chịu điện
áp ngược là:
VUkU
vng
17921120*6.1
===
Vì tải đấu hình sao nên dòng qua mỗi thyristor lúc cực đại bằng dòng
chỉnh lưu: I

T
=I
max
=60*2=84.85

Với hệ số quá dòng k
i
= 1.2, do đó ta phải chọn thyristor chịu được
dòng:
I
T
=1.2*84.85=101.82
Căn cứ vào những kết quả trên, theo bảng 1.3 thyristor công suất trang
34, sách điện tử công suất Nguyễn Bính ta chọn:
Thyristor có mã hiệu SF150 do hãng TOSHIBA,Nhật Bản chế tạo có
các thông số sau:
I = 150A
U
i.m
= 0.4 – 1.6 kV
+/ Tính chọn diot
Bảng chuyển đổi trạng thái của diot:
0
0
60
0
120
0
180
0

240
0
300
0
D
1
1 0 0 0 0 0
D
2
0 1 0 0 0 0
D
3
0 0 1 0 0 0
D
4
0 0 0 1 0 0
D
5
0 0 0 0 1 0
D
6
0 0 0 0 0 1
Dòng điện qua pha tải có ba đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ:
-
00
600
÷

( )( )









+
−+
−=
−
Q
N
A
e
a
aa
R
E
i
θ
3
1
21
1
3
(1)
-
00
12060

÷

( )








+
+
−=
−
Q
N
A
e
a
a
R
E
i
θ
3
2
1
1
2

3
(2)
-
00
180120
÷

( )( )








+
−+
+=
−
Q
N
A
e
a
aa
R
E
i
θ

3
1
21
1
3
(3)
Với :
8.0
===
ϕ
ω
tag
R
L
Q
;
66.0
8.0*3
1
3
1
===
−
−
eea
Q
Tại
1
θθ
=

, dòng tải qua pha A bằng 0 : i
A
= 0
Từ (1) ta có:
( )( )
( )( ) ( )( )
( )( )
0
1
3
1
3
1
3
1
3
7.24
46.0
66.0266.01
66.01
ln8.0
21
1
ln
21
1
ln
0
1
21

1
3
=⇒
=
−+
+
−=
−+
+
−=⇒
−+
+
=−
=








+
−+
−=
−
θ
θ
θ
θ

θ
aa
a
Q
aa
a
Q
e
a
aa
R
E
i
Q
N
A
Trạng thái chuyển mạch diot, tại thời điểm
θ
= 0, diot D
1
dẫn và dòng
qua diot cũng là dòng qua tải, lúc này dòng qua diot cũng là dòng cực đại
của diot:
I
DImax
=i
A
(0)=[U
d
/(3*R)]*[1-(1+a)*(2-a)/(1+a

3
)=-57.7A
Nếu ta chọn hệ số quá tải dòng điện là 1.2 thì diot chọn phải chịu
dòng là:
I
D
= 1.2*57.7= 69.24A
Điện áp đặt ngược lên mỗi diot là:
VUUU
dzng
7.7461120
3
2
3
2
3
2
====
Chọn hệ số quá áp là k
v
= 1.6, thì diot chọn phải chịu được điện áp
ngược là:
VUkU
ngvng
7.11947.746*6.1*
===
2.4 Bộ biến đổi xung áp
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý
Bộ biến đổi xung áp là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng cắt
vào phụ tải một cách có chu kỳ do đó điện áp trên tải là những xung áp một

chiều hoặc xoay chiều phụ thuộc vào điện áp nguồn là một chiều hay xoay
chiều .
Để thực hiện việc đóng cắt nguồn người ta dùng các khóa điện tử công
suất .Ở đây ta dùng tranzitor .
Người ta phân loại bộ biến đổi xung áp thành nhiều loại khác nhau tùy
thuộc vào cách mắc khóa bán dẫn ( nối tiếp hay song song ) hoặc tùy thuộc
vào điện áp ra. Ở đây ta dùng bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp .
Sơ đồ nguyên lý:
Tải
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xung áp
Trong khoảng
1
0 T÷
cho Q
1
mở toàn bộ điện áp nguồn được lên tải
,còn trong khoảng
TT ÷
1
ta ngắt Q
1
lúc này điện áp trên tải sẽ bằng 0. Như
vậy điện áp trung bình trên tải là:

,
1
1
1
0
'

1
0
dz
d
T
d
d
T
z
ZUU
U
T
T
dtU
T
dtU
T
U
=⇒
==
=
∫
∫
t
1
t
2


với Z =

T
T
1
Hình 2.10. Dạng sóng điện áp ra
Theo biểu thức trên ta có 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)
Trong 3 trường hợp trên thì phương pháp tần số xung và 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 gặp nhiều khó khăn .Trong trường hợp điện áp ra thấp ta điều khiển
theo phương pháp này sẽ làm cho thời gian T
off
lớn gây ra hiện tượng dòng
điện trên tải bị gián đoạn .
Việc sử dụng phương pháp độ rộng xung tránh được phần lớn nhược
điểm trên nên dùng phương pháp này điều khiển là thích hợp hơn cả .
2.4.2 Tính toán và lựa chọn phần tử
a) Tính chọn tranzitor Q
1
:

Ở đây ta dùng phương pháp độ rộng xung :
Gọi T
1
là thời gian mở của tranzitor
T
2
là thời gian khóa của tranzitor
U
d
là điện áp trước khi biến đổi .
Điện áp trung bình trên tải :
d
T
ddz
UZU
T
T
dtU
T
U
∫
===
1
0
1
1
Chọn tần số làm việc của bộ biến đổi là f = 500Hz
U
BE
t

t