hệ thống biến tần - động cơ xoay chiều

Lời giới thiệu.
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp có một
vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế. Yêu cầu trước
hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất. Tự động hóa
ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc, tính an toàn và tiện dụng
của nó. Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứng dụng
ngày càng rộng rãi. Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng
quan trọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này. Ngày nay, động cơ điện
đã được ứng dụng rộng rãi, có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp và trong
đời sống sinh hoạt. So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ
không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả, với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chế tạo với
nhiều công suất khác nhau, sử dụng đơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thế các loại
máy điện một chiều. Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp, người ta
đã nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế
độ làm việc khác nhau. Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp
cho động cơ. Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải
thay đổi tần số làm việc của nó. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ biến
Giới thiệu về động cơ Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của
mạch không đồng bộ và các hệ thống biến tần.
Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất
Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các
phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.
Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

1
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 cô giáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện
hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN
1.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
1.2.1 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 rotor 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 ).
1.2.2 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.
3
- 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 môbin, mà các cạnh của môbin đó
được đặt vào lõi thép stator. Các môbin 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 hiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm
4
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
đấu 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.
1.2.3 Nguyên lý hoạt động.
- Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất
hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/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.
5
1.2.4 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 f1 làm cho tốc độ
từ trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo.
Khi f1>f1đm ta có :
↓ S
th
=
( )
↑
+
f
LL
P
f
R
1
'
21
1
'
2
1

.
2
π

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

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mnm cho động cơ và tốc độ làm việc của
động cơ không vượt quá giá trị cự đại cho phép.
+ Khi f1<f1
dm
tức là khi f1 giảm ta có:
Khi f1 giảm ω
t
giảm Sth tăngMth tăngXnm giảm thì Mth giữ ở
không đổi.
+ Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
6
Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động
của động cơ không đồng bộ
H1.2 Đặc tính cơ khi thay
đổi tần số lưới điện f1

cấp cho động cơ
Khi tăng giảm tần số f1 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 Mth giữ không đổi.
+ Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Khi tăng giảm tần số f1 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.
1.2.5 Phương trình đặc tính cơ.
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế :

Ta có dòng điện stator
Ta có dòng điện stator


:
:

7
Hình 1-2
Hình 1-1
Trong đó :
Trong đó :
X
X
nm
nm
= X
= X
1d
1d
+ X’
+ X’
2d
2d




điện kháng
điện kháng
ngắn mạch
ngắn mạch




U

U
1f
1f




trị hiệu dụng của điện áp pha stator
trị hiệu dụng của điện áp pha stator
.
.
+Phương trình đặc tính của động cơ :
+Phương trình đặc tính của động cơ :
Đường đặc tính của động cơ như hình h1-2.
Với
S
th
là hệ số trượt tới hạn cửa động cơ.
1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ
1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ
.
.


a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ
a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ
.
.

K
K
hi điện áp lưới suy giảm thì theo (1-4) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽ
hi điện áp lưới suy giảm thì theo (1-4) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽ


giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi
giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi
.
.

8
Hình 1-3
b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator
b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator
.
.
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1-3) và (1-
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1-3) và (1-
4) cả Sth và Mth đều giảm
4) cả Sth và Mth đều giảm
.
.

c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor
c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor
.
.

Đ
Đ
ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch
ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch


rotor để hạn chế dòng khởi động thì S
rotor để hạn chế dòng khởi động thì S
th
th
= val và M
= val và M
th
th
=const
=const
.
.

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.
9
Hình 1-4
Hình 1-5
Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu
Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu X
nm
=

ω
1
1
L
L cho nên khi thay đổi tần số
S
th,
M
th
=const
Hình 1-6
e) Ảnh hưởng của số đôi cực p
e) Ảnh hưởng của số đôi cực p
.
.
Đ
Đ
ể thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì
ể 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.
a) 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 mômen trong máy. Để giữ cho mômen 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.
10
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

:
2
1
'

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

1
2
1
'
21
2
1th
ω
π
λ
cc
Mf
U
A
fXX
P
U
=
+
==
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
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
b) 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.

11
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:
- 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.
c) 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

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
3
2
=
∆
th
thYY
M
M
12
2
1
=
thYY
thY
M
M
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.
e) 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 chiề
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.
u tốc độ giảm.
+Tổn hao công suất lớn.

+Không điều chỉnh được khi động cơ không tải.
1.3. CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN
1.1.1 Khái niệm chung.
13
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
14
U
KT
c)
220/ 380V; 50 Hz
I
KT


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
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.
15
-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.
- Phạm vi ứng dụng của công nghệ: Người ta thường dùng thiết bị biến tần để điều
chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều: động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ.
Có nhiều kích cỡ công suất khác nhau phù hợp với từng loại công suất động cơ.
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.
1.1.2 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.
16
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.
1.1.3 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).
17
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.
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.
18
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.
2. Ngoài ra tổn hao công suất ở biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với
nguồn qua một phần tử đóng cắt, không phải qua hai phần tử và qua khâu trung
gian như ở biến tần gián tiếp.
3. Sơ đồ van và qui luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn biến tần
gián tiếp. Với kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi xử lý phát triển hiện nay thì vấn đề
này hoàn toàn thực hiện được.
Ñ K Ñ
f 1
V 1
~
a b
c
f r V r B i e án ñ o åi
T 1
N 4
T 3
N 6
T 5 N 2
Ñ K 1

Ñ K 4
Ñ K 3
Ñ K 6
Ñ K 5
Ñ K 2

2.1.2.Biến tần gián tiếp.
1/Một số sơ đồ biến tần gián tiếp:
19
Ñ C
a
b
c
V 1 ~
T 5T 3
T 4
C 2
Ñ K
T h 1
T h 2
T 2
T
T 6
T 1
C 1

20
H.b.1 Biến tần áp dùng
thyristor
H.b.2 Biến tần áp

dùng transistor.
Ñ K Ñ
T 1
T 3
T 5
T 4
T 6
T 2
T 7
T 9
T 1 1
T 1 0
T 1 2
T 8
V 1
~
D 3
D 5
D 1
D 6D 4
Ñ K
D 2

Ñ K Ñ
V o
+
-
T 1
T 4
T 3 T 5

T 6 T 2
D 1
D 4
D 3
D 6
D 5
D 2
2/Biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.
 Biến tần nguồn dòng.
1. Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên
nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu nguồn dòng song song.
2. Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diode cách ly.
3. Dòng ra nghịch lưu có dạng hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối Sin nếu
phụ tải là động cơ.
21
H.b.3 Biến tần
dòng ba pha dùng
thyristor.
H.b.4 Biến tần
dòng ba pha dùng
transistor
•Ưu điểm của biến tần loại này khi dùng với động cơ không đồng bộ có khả năng
trả năng lượng về lưới. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất
kém và cồng kềnh nhưng với công suất trên 100 Kw thì đây là một phương án hiệu
quả.
•Nhược điểm của sơ đồ này là hệ thống công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải
nhất là khi có tải nhỏ.
 Biến tần nguồn áp.
–Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển.
• Biến tần nguồn áp dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiển

được. Điện áp một chiều cung cấp (dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu
không điều khiển) sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều.
• Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ được điều chỉnh nhờ
thay đổi điện áp một chiều.
• Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ thuộc phụ tải, dòng điện tải xác định.
• Điện áp ra có độ méo phi tuyến lớn, có thể không phù hợp với một số loại phụ tải.
• Hệ số công suất của sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải. Tuy nhiên phải
qua nhiều khâu biến đổi và hiệu suất kém, do đó chỉ phụ thuộc cho tải nhỏ, dưới
30KW.
• Ngày nay biến tần nguồn áp được chế tạo chủ yếu với điện áp biến điệu bề
rộng xung.
– Biến tần nguồn áp biến điệu bề rộng xung.
• Dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào. Điện áp và tần số ở đầu ra sẽ
hoàn toàn do phần nghịch lưu xác định.
•Nghịch lưu thường sử dụng các van điểu khiển hoàn toàn như GTO, IGBT,
Transistor công suất.
22
•IGBT hoặc Transistor công suất được sử dụng cho biến tần công suất tới 300KW
điện áp lưới đầu vào đến 690V. Tần số sóng mang đến 12Khz đối với công suất
55KW, với công suất lớn hơn tần số này bị giới hạn dưới 3 Khz.
•GTO được sử dụng cho các biến tần công suất trên 300KW, điện áp lưới đến
690V tần số sóng mang 1 Khz.
2.1.Lựa chọn phương án.
Dựa vào ưu nhược điểm như trên ta lựa chọn bộ biến tần nguồn áp với cấu trúc
như sau:
1) Bộ nghịch lưu áp 3 pha (có thể sử dụng BJT công suất, IGBT, GTO) ở đây ta
dùng thyristor.
2) Bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu 3 pha sử dụng Tiristor.
Lựa chọn mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển hình cầu.
- Sơ đồ cầu có chất lượng điện áp ra tốt hơn. Độ nhấp nhô của điện áp thấp.

- Sơ đồ hình cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn nên ta có thể chọn được loại
van có thông số về điện áp ngược.
- Máy biến áp ứng với sơ đồ cầu được sử sụng triệt để hơn.
2.2. TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT.
2.2.1. Bộ nghịch lưu.
23


Nguyên lý hoạt động:
Các điôt D
1
÷
D
6
mắc nối tiếp với các thyristor T
1
÷
T
6
nhằm ngăn sự phóng điện của
các tụ chuyển mạch C
1
÷
C
6
do điện áp ngược của tải gây nên. Các điôt DZ
1
÷
DZ
6

là
những phần tử cần cho mạch chuyển mạch,ngoài ra chúng còn giữ vai trò của điôt
phóng điện. Thứ tự mở các thyristor và đặc tính điện áp pha và dây biểu diễn trên
24
hình vẽ. Cầu gồm 2 nhóm van: nhóm anot chung(T
1
-T
3
-T
5
) và nhóm catot chung
(T
2
-T
4
-T
6
).
Quá trình chuyển mạch cưỡng bức của T
1.
- Giả thiết rằng T
1
của nhóm anot và T
2
của nhóm catot đang dẫn. Ngắt T
1
bằng
cách mở T
3
. Cực tính của các tụ trước khi chuyển mạch kí hiệu trên tụ điện còn

cực tính của tụ điện sau khi chuyển mạch kí hiệu ở dưới tụ điện. Sau khi T
3
Mở
(tại thời điểm t
1
) tụ C
1
chuyển nạp dao động trong mạch T
3
-Cx71-D
1
-L
1
-DZ
1
-T
3
còn
tụ C
5
trong mạch T
3
-C
3
-C
5
-D
1
-L
1

-DZ
1
-T
3
.
- Vì nhánh C
1
mắc song song với nhánh C
3
và nối tiếp với C
5
nên tụ điện tương
đương ở đây sẽ là 1,5C. Giả thiết mạch chứa tụ điện không có cảm kháng còn tải là
tổng trở có tính cảm kháng có hằng số thời gian lớn hơn thời gian xảy ra chuyển
mạch, còn tại thời điểm t
1
dòng điện chạy qua pha A bằng I
o
.
- Trong trường hợp này, tại thời điểm t
1
tụ điện nhận giá trị dòng nhảy bậc từ T
1
,
thyristor T
1
ngắt vì đặt lên cực anot-catot của nó điện áp âm. Trong khoảng thời
gian td thyristor T
1
cần phải đạt được tính chất khóa. Thời gian td là khoảng thời

gian cần để có điện áp ngược của T
1
tăng từ giá trị U
oc1
tới 0. Thời gian này phải
nhỏ hơn thời gian trung hòa các điện tử của T
1
. Trong khoảng thời gian t
1
-t
2
dòng
chay qua tụ điện lớn hơn dòng tải I
o
. Dòng hiệu I
c
-I
o
chạy qua điôt phóng DZ
1
không qua tải. Tại T
2
dòng Ic=Io, dòng tụ điện giảm nhảy bậc xuống 0. Từ thời
điểm này dòng tải gây nên do năng lượng tích lũy trong cảm kháng của tải chạy
qua khép mạch kín bởi DZ
4
(sdt cảm ứng đã phân cực DZ
4
theo hướng dẫn). Bây
giờ DZ

4
đóng vai trò của điôt Zero. Dòng I
0
chạy trong mạch DZ
4
-L
1
-pha A-pha C-
L
3
-D
2
-T
2
-DZ
4
. Nếu độ cảm kháng của tải đủ lớn năng lượng điện từ trong mạch vừa
nói trên có thể không phóng trong khoảng w
2t
=
3
Π
. Điều đó có nghĩa là sau 1 góc kể
từ khi T3 dẫn năng lượng kháng được đưa về nguồn vì khi T
2
ngắt, DZ
5
bắt đầu
phân cực dẫn, dòng tải bây giờ chảy theo mạch sau: DZ
4

-L
1
-pha A-pha C-L
3
-DZ
5
-
25