thiết kế biến tần điều khiển động cơ 3 pha có u=380vac, i=50a

Lời nói đầu
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. 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 sản xuất công nghiệp, người ta 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.
Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn hết
sức quan trọng. Để có thể nắm vững lí thuyết để áp dụng vào thực tế, học kì này
em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài :
“Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor”
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!

Sinh viên
Nguyễn Thị Mai
Chương 1:
Tổng quan về công nghệ biến tần

1.1 Cấu trúc chung của biến tần:
Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình sau:
Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của biến tần
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha.
Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay
chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp
xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy
luật nhất định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều
khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có
chức năng sau:
-
Theo dõi sự cố lúc vận hành
-
Xử lý thông tin từ người sử dụng
2
-
Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm
-
Xác định đặc tính – 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.
1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ
1.2.1 Giới thiệu chung
Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động
điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng
20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một
chiều. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát
minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó bề sánh
kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ
XX, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con
đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ
80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn và đã được coi là bước đột
phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều. Từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống
3
điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành
công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì phương
pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh

trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh
tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều
tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và
công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW). Trong hệ
thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều không đồng bộ thì bộ biến tần là
khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động.
+/ Ta tìm hiểu sơ lược về động cơ không đồng bộ :
a) Khái quát 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 )
b) Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ ba pha gồm các phần chính sau: Phần tĩnh và
phần quay.
4
2
1
1- Quạt làm mát
4 2- Hộp đấu dây
3 3-Vỏ máy
4- Stato
5 5-Chân đế lắp cố định
6 6-Roto
Hình 1-2 .Động cơ không đồng bộ roto dây quấn
- Phần tĩnh (stato):

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn.
+ Vỏ máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato, 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
môbin đó được đặt vào lõi thép stator. Các mô bin được cách điện nhau và cách
điện với lõi thép.
- Phần quay (roto) :
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 roto. Thường các lá thép roto được tận dụng phần bên
trong các lá thép của stato.
5
+ Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto. Trục
được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
+ Dây quấn roto có hai loại : loại roto lồng sóc và roto 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 roto 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 bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto và được gắn chặt vào vành
ngắn mạch.
ìHình 1.3 Dây quấn roto

kiểu lồng sóc
Loại roto dây quấn: Cũng được quấn thành từng các môbin như dây quấn
stato và có cùng số cực từ dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao
và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto 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.
c) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa
là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện
kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn
thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha
của động cơ như hình vẽ 1-4.
6

Hình 1-4. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó U
1
: trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato
R
th
, R
1
, R
2
’
là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện
trở rôto đã quy đổi về phía stato .
X
th
, X

1
, X
2
’
, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato và
điện kháng roto đã quy đổi về phía stato.
I
th
,I
1
, I
2
’
là các dòng điện từ hoá , dòng điện stato, dòng điện
rôto đã quy đổi về stato
Với hệ số quy đổi như sau :
X
’
2
= K
u
2
.X
2
; I
’
2
= K
i
I

2
; R
2
’
= K
u
2
R
2

Trong đó :

K
dq1
, K
dq2
: hệ số dây quấn stato và roto
U
1
điện áp định mức đặt vào dây quấn stato
E
w
: sức điện động định mức của roto

Độ trượt động cơ : s =
ω
ωω
1
1
−

Ta tính được dòng điện qua rô to :
I
2
’
=
( )
2
'
21
2
'
2
1
1
XX
R
R
U
S
++








+

S = 0 ⇒ I
2
’
= 0 ( ω = ω
1
)
7
S = 1 ⇒ I
2
’
=
( )
XRR
U
nm
22
21
1
++
= dòng điện max (I
2
’
max ) , ω = 0
với : X
nm
= X
1
+X
2

’
: điện kháng ngắn mạch
Dòng khởi động phía rôto của động cơ.

Hình 1-5. Đặc tính dòng điện rôto
Thông thường ta có I
2
’
max = (4 ÷ 7)I
đm
. Vì thế khi khởi động động
cơ cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ
phía rôto.
Ta có dòng điện phía stato là :
Khi S = 0 → I
1
= I
th
(dòng phía stato bằng dòng từ hoá )
S = 1 → I
1
=
( )
1
2
21
11
U
XRR
XR

nm
thth








++
+
+

Hình 1-6 . Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ .
- Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta
dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ
8
Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang roto là :
P
đt
= M.ω
1
(1) M : Là mômen điện từ của động cơ
Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M
cơ
Công suất P
đt
chia làm hai phần
P

cơ
:Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ P
cơ
= M
cơ
.ω (2)
∆P
ω
2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto : ∆P
ω
2
= 3.I
2
’2
.R
2
’
(3)
Với I
2
’
=
( )
XRR
U
nm
22
21
1

++

Ta có : P
đt
= P
cơ
+ ∆P
ω
2
(4)
Thay (1) ,(2) ,(3) vào phương trình (4) ta có

M.ω
1
= M.ω + 3.
R
X
R
R
U
nm
S
'
2
2
2
'
2
1
2

1
.
+








+

M (ω
1
- ω ) = 3.
R
X
R
R
U
nm
S
'
2
2
2
'
2
1

2
1
.
+








+
(5)
Với s =
ω
ωω
1
1
−
thay vào phương trình (5) ta có
M =









+








+
2
2
'
2
11
'
2
2
1
3
nm
X
s
R
Rs
RU
ω
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Để vẽ đường đặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn
thông qua việc giải phương trình :

0
=
dS
dM

Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị : kí hiệu là M
tới hạn
(M
th
) và
giá trị S
tới hạn
( S
th
) . Cụ thể là :
S
th
= ±
XR
R
nm
22
1
'
2
+
; M
th
= ±

(
)
22
111
1
2
3
nm
XRR
U
+±
ω

9
Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ .
Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát .
Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người ta
quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.
Với những động cơ công suất lớn lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm
nên
lúc này co thể bỏ qua R
1
nghĩa là R
1
= 0 . Do đó :
S
th

= ±
X
R
nm
'
2
; M
th
= ±
X
U
nm
ω
1
2
1
2
3

Lập tỉ số :








+=
S

S
S
S
M
M
th
th
th
2
1

→ M =
S
S
S
S
M
th
th
th
+
2
- Khi xét S << S
th
( S → 0) .Tỷ số
S
S
th
nhỏ , gần đúng coi
S

S
th
= 0.
Lúc này đặc tính cơ có dạng đơn giản :
M =
S
S
M
th
th
.
2

Khi S >> S
th
( S→0 )
Ta có : M =
S
S
M
th
th
.
2
S = 1 ⇒ M = M
nm
= 2.M
th
.S
th

Hình 1-7. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng
bộ thường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đến D .
10
d) Ảnh hưởng của tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và
lồng sóc.
Xuất phát từ biểu thức:ω
1
=
P
f
1
.
2
π
. ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc độ
từ trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo.
Khi f
1
>f
1đm
ta có :
↓ S
th

=
( )
↑
+
f
LL
P
f
R
1
'
21
1
'
2
1
.
2
π
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 f
1

tăng để đảm bảo đủ M
nm
cho động cơ và tốc độ làm
việc của động cơ không vượt quá giá trị cự đại cho phép.
ω
max
bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ
+ Khi f
1
<f
1đm
tức là khi f
1
giảm ta có
f
1
giảm ω
t
giảm S
th
tăngM
th
tăngX
nm
giảm thì M
th
giữ ở không đổi.
+ Khi f
1
>f

1đm
thì M
th
tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
11
H1.8. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ
động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp
khi nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm(vì tổng trở của
mạch tỉ lệ thuận theo tần số). Điện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động
tăng rất nhanh,do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất
định để giữ cho momen theo chế độ với giá trị định mức.
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:
+ Khi f
1
< f
1đm
với điều kiện
f
U
1
1
= const thì M
th
giữ không đổi
+ Khi f

1
>f
1đm
thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U
1
= U
1đm
nên ở
vùng này M
th
sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều
chỉnh điện áp theo quy luật U/f = const để giữ cho động cơ không bị quá tải về
công suất
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ
động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng.
1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như :
-
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto R
f
-
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
-
Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
-
Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
-
Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

-
Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay
đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt
đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không
12
đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày
phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số
nguồn.
+/ Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và
số đôi cực từ theo công thức:
ω
0
=
2 π f
1
P
Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo
công thức:
ω = ω
0
( 1 – s )
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có
thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được
chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số
nguồn f
1

. Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của
động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ).
Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp
nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm
việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra
vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông
của động cơ không đổi. Từ thông này có thế là từ thông stato Φ1, từ thông của
roto Φ
2
, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ.
Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ
cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các
luật điều khiển như sau:
-
Luật U/f không đổi: U/f = const
-
Luật hệ số quá tải không đổi: λ = M
th
/M
c
= const
-
Luật dòng điện không tải không đổi: I
0
= const
-
Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I
1
= f(Δω)
1.2.3 Phân loại biến tần

13
a) Khái niệm biến tần : 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 thường được chia làm hai loại:
-
Biến tần trực tiếp
-
Biến tần gián tiếp
b.1) Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều
không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp
và nhỏ hơn tần số lưới ( f
1
< flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
b.2) Biến tần gián tiếp
+/ Khái niệm: Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều
có V
1
, f
1
là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có V
r,
f
r
thay đổi, qua khâu

trung gian một chiều. Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các
thiết bị nghịch lưu.
+/ Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 1.9. Cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều
vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau:
14
-
Chỉnh lưu : Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay
chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có
điều chỉnh. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu
bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá
tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu
sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.
-
Bộ lọc : để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ
chỉnh lưu.
-
Khâu nghịch lưu : Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng
một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với
phụ tải độc lập để đặt vào động cơ. Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc
Transistor công suất.
+/ Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu nguồn áp và
nghịch lưu nguồn dòng.
+ Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng
+ Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp
1.2.4 Phạm vi ứng dụng của biến tần
Với sự phát triển về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày
càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ
phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến là bộ biến tần điều khiển tốc độ động

cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan
đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ
mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví
dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu,
máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động
cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công
nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các
thông số nguồn như điện áp hay thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ
thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù
15
hợp với yêu cầu của phụ tải cơ và người ta thường dùng thiết bị biến tần để điều
chỉnh tốc độ động cơ 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.
1.3 Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần
1.3.1 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.
1.3.2 Các phương pháp điều khiển
a) 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.
16
Hình 1.10. Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung
(v
01
là thành phần sin cơ bản, v
i
là điện một chiều vào bộ nghịch lưu,
v
o
là điện áp ra )
Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực,
điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực.
Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:
-
Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)
-
Điều chế vectơ không gian (SVM)
b) Phương pháp điều khiển U/f = const
xuất phát n= 60f1(1-s)/p nên tần số thay đổi,tốc độ thay đổi nên điều chỉnh
đươc tốc độ
Tuy nhiên khi thay đổi tần số từ thông của động cơ sẽ thay đổi theo
E=cΦf
1

=U
1
-I
1
.Z
1
Z
1
=0 nên U
1
=cΦf
1
Φ=U
1
/ (cf
1
)
Khi điều chỉnh f
1
cần điều chỉnh U
1
để đảm bảo từ thông của động cơ
không đổi hay U
1
/f
1
=const
Khi điều chỉnh nếu giữ cho hệ số quá tải của momen là hằng số thì chế độ
làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức tối ưu như khi công tác với
các thông số định mức

Điều kiện λm=M
th
/M
c
=const
R
1
=0
M
th
=3U
1
2
/ ( 2w
1.
X
2
nm)=(K
1
U
1
2
)/f
1
2
Giả sử động cơ làm việc với một momen cản bất kì ta có
17
M
c
=M

co
+ (M
cđm
-M
co
)(w/w
đm
)
x
M
co
=0 nên M
c
=K
2
.f
1
x
λ
m
=M
th
/M
c
= (K
1
/K
2
).(U
1

2
/f
1
(2+x
))=(K
3.
U
1
2
)/f
1
(2+x)
Ứng với thông số định mức và thông số bất kì
(K
3
.U
1
2
đm
)/f
(2+x)
đm
=(K
3
.U
1
2
)/f
1
(2+x)

U
1
*
2
=f
1
*
(2+x)
Đây là quy luật điều chỉnh tần số và điện áp đối với một loại tải bất kì
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.
Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc. Dây
quấn được quấn theo hình sao. Các pha stator của động cơ M lệch nhau 120
0
về
18
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.
+/ Nhận xét
Sơ đồ bộ biến tần dòng ba pha này đơn giản và làm việc tin cậy, được sử
dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ 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 cầu chỉnh lưu tiristor, tụ điện C chứa năng lượng phản
kháng, nghịch lưu áp 3 pha. 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.
Dưới đây là sơ đồ nghịch lưu ap 3 pha sử dụng tiristor
19
+/ 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 2/3 E 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.
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
20
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
+/ Nhận xét
Sơ đồ có thể dược sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ điện 3 pha. Bộ biến
đổi xung áp 1 chiều cho phép điều chỉnh điện áp 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 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.
- 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 phận riêng : mạch động lực và mạch điều khiển.
21
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 transistor.
Sơ đồ mạch khóa cưỡng bức :
22
Hình 2.7
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 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 t1) tụ C
1
chuyển nạp dao động trong mạch T
3
-C
1
-D
1
-DZ

1
-T
3
còn tụ C
5
trong mạch T
3
-C
3
-C
5
-D
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 tương đương nhận giá trị
dòng nhảy bậc từ T
1
, thyristor T
1
ngắt vì đặt lên cực anot-catot của nó điện áp
23
âm. Trong khoảng thời gian t
d
thyristor T
1
cần phải đạt được tính chất khóa.Thời
gian t
d
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 T1.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 I
c
=I
0
,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 qu 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 Io chạy
trong mạch DZ
4
-pha A-pha C-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
-pha A-pha C-DZ
5
-
+
Ud
-
−
Ud
-DZ
4
. Ở chế độ hãm máy phát
của động cơ năng lượng kháng được chuyển về nguồn từ tải cũng qua điôt
DZ .Đặc trưng của loại chuyển mạch này là chuyển mạch cưỡng bức,nguồn
năng lượng dùng đểchuyển mạch được tụ nạp tới điện áp tỉ lệ với điện áp nguồn
Ud cấp cho. Khi giảm giá trị điện áp nguồn giảm năng lượng tích lũy trong tụ

điện có thể không thực hiện được sự chuyển mạch. Góc dẫn van
λ
=180
0
.

24
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 = 100A
Tần số : f = 0
÷
120 Hz, chọn f
dm
= 50 Hz
Hệ số công suất : cos φ = 0.8
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*100*0.8=52.8kW
Công suất định mức :
P
dm
= ηP
1
= 0.9*52.8=47.52kW
Điện trở stato :
25