thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor

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!
Hải Phòng, ngày 06 tháng 10 năm 2011
Sinh viên

Lê Thế Bảo
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
- 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 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.
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.
+ 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.

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
)
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
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

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 .
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.

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 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 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
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:
- 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 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.
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
Sđđ của cuộn dây stato E
1
tỷ lệ với từ thông Φ
1
và tần số f
1
theo biều
thức:
Từ công thức trên nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z
1
, ta có E
1
≈
U
1
. Do đó:
Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U
1
/f
1
không đổi.
Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U
1

/f
1
được giữ không đổi và bằng tỷ
số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm
tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E
1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ
giảm. Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
Và momen tới hạn:
Khi hoạt động ở định mức:
Ta có công thức sau:
Với f
1
– là tần số làm việc của động cơ, f
1đm
– là tần số định mức. Theo
luật U/f = const :
Ta thu được: U
1
= aU
1đm
f1 = af
1đm
Phân tích tương tự, ta cũng thu được ω
0
= aω
0đm
; X
1

= aX
1đm
; X’
2
=
aX’
2đm
. Thay các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính
momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức:
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X
1
và X’
2
phụ thuộc vào tần
số trong khi R
1
lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1
+ X’
2
) >> R
1
/a, sụt áp trên R
1
rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ
thông được giữ gần như không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như
không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R
1
/a sẽ tương

đối lớn so với giá trị của (X
1
+ X’
1
) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato
khi momen tải lớn. Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông
momen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho
động cơ điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ
đó ta có quan hệ sau: U
1
= U
0
+ Kf
1
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ
U=U
đm
tại f = f
đm
. Khi a > 1 (f > f
đm
), điện áp được giữ không đổi và bằng
định mức. Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là
đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương
pháp điều khiển U/f=const:
Hình 1.11. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số
theo luật điều khiển U/f=const
Từ hình 1.11 ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở
tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc
độ định mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc
này.
- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định
mức bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng
trên điện áp định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở
vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển
sự thay đổi của tần số theo thời gian.
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 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 diot I, 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.