Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc, hệ thống có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài

- 1 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những
thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú,đáp
ứng được những đòi hỏicủa thực tế sản xuất. Điều này tạo cho kỹ thuật điện tử
công suất có một vai trò vô cùng quan trọng trong nền sản xuất công ngiệp.
ở nước ta do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, ngày
càng phát triển các nhà máy, khu công nghiệp, nhiều dây chuyền sản xuất hiện
đại, trong đó sử dụng máy móc là công cụ chủ yếu, đặc biệt là các loại động cơ
đồng bộ, động cơ không đồng bộ……. Bởi tác động nhanh và dễ vận hành, sạch
và cho năng suất cao. Chính vì vậy môn học điện tử công suất là môn học quan
trọng trong chương trình của sinh viên khoa Điện.
Để giúp sinh viên có được một cách nhìn đúng đắn về môn học này và để
làm quen với việc thiết kế và ứng dụng trong thực tế em được giao làm đồ án
môn học với đề tài là:" Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió
dùng động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch công suất động cơ là : 43 KW.
Mạch có bảo vệ mất pha lưới và chống quá tải lâu dài". Được sự hướng dẫn tận
tình của thầy Phạm Thị Diễm Hương và các thầy cô trong bộ môn, em đã hoàn
thành đồ án của mình. Song do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực
tiễn nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót.
Em xin chân thành cảm ơn cô Phạm Thị Diễm Hương và các thầy cô trong bộ
môn đã tận tình dạy dỗ và hướng dẫn em.


Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 2 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Đề tài:

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không
đồng bộ Roto lồng sóc, hệ thống có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu
dài.
Các số liệu
P = 43 KW
U = 220/380 V

%87,0=
η
Cos
ϕ
= 0,82

Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 3 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay, trong xã hội hiện đại, nhiều nhà cao tầng mọc lên, các đường
ngầm, hầm ngầm, thanh máy, hầm mỏ khai thác đều cần có hệ thống thông
gió. Vì vậy quạt thông gió là một trong những thiết bị rất cần thiết và phổ biến.
Các loạiquạt có công suất dưới200 kW hầu như như đều sử dụng loại động cơ
không đồng bộ rôto nghắn mạch ( rôto lồng sóc) mở máy trực tiếp hay gián tiếp
qua các phần tử hạn chế ở mạch stato. Hiện nay điện sử dụng trong sản xuất và
dân dụng đều là điện xoay chiều 3 pha vì vậy để đơn giản, tin cậy, giá thành rẻ
mà vẫn đáp ứng yêu cầu của quạt gió ta sử dụng động cơ không đồng bộ rôto
lồng sóc với tốc độ quay rôto khác tốc độ quay của từ thông tạo bởiđiện lưới.
Vấn đề điều chỉnh tốc độ quay của động cơ không đồng bộ vẫn còn chưa được
giải quyết triệt để mà chúng ta sẽ xem xét một trong những phương pháp điều

chỉnh tốc độ quạt gió trong đồ án này.
Có thể phân quạt gió ra làm nhiều loại như sau:
+ Theo nguyên lý làm việc:
- Quạt ly tâm : Dịch chuyển dòng không khí trong mặt
phẳng vuông góc với trục quay của quạt.
- Quạt hướng trục : Dịch chuyển dòng không khí song song
với trục quay của quạt.
+ Theo áp suất:
- Quạt áp lực thấp: P < 100mmH
2
0
- Quạt áp lực vừa : P = 100 ÷ 400mmH
2
0
- Quạt áp lực cao: P > 400mmH
2
0
+ Theo mục đích sử dụng:
- Quạt không khí
- Quạt khói
+ Theo tốc độ chạy quạt:
- Quạt cao tốc : > 1500 v/p
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 4 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
- Quạt tốc độ trung bình : 800 ÷ 1400 v/p
- Quạt tốc độ chậm : 500 ÷ 700 v/p
Tuy nhiên tất cả các động cơ của quạt đều là động cơ không đồng bộ. Động
cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá

thành hạ nên được sử dụng rộng rãi. Nhưng nhược điểm của chúng là điều chỉnh
tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn.
I. SƠ ĐỒ THAY THẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Khi nghiên cứu ta đưa ra các giả thiết sau :
Ba pha động cơ là đối xứng.
Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt
độ, tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà. Nên điện kháng X
1
, X
2
không
đổi.
Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp
đặt ở stato động cơ.
Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Trong sơ đồ :
U
1
: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
I
0
, I
1
, I
2
: Các dòng điện từ hoá, stato và roto đã quy đổi về
stato.
X
0

, X
1
, X'
2
: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản
stato và rôto đẫ qui dổi về stato.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 5 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
s : Độ trượt của động cơ : s =
1
1
ω
ω−ω
1
ω
: Tốc độ của từ trường quay hay là tốc độ đồng bộ.
1
ω
=
p
f2
1
π
f
1
: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
ω
: Tốc độ góc của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có : I
1
=U
1
.












++
+
+
22
'
2
1
2
0
2
0
)(

11
nm
X
s
R
R
XR
(1)
Trong đó : X
nm
=X
1
+ X'
2
: Điện kháng ngắn mạch
Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato.
Khi
ω
= 0, s = 1 thì I
1
= I
nm
Khi
ω
=
ω
1
, s =1 thì I
1
=

2
0
2
0
1
XR
U
+
= I
0

I
1nm
: dòng điện ngắn mạch stato
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
X
1
X
0
X'
2
R
1
R
0
U
1
I
1

R'
2
/ s
I
2
I
0
Hình 1.1. Sơ đồ thay thế động cơ
không đồng bộ
- 6 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
I
0
: Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay
vớitốc độ đồng bộ.
Ta cũng tìm được dòng điện roto qui đổi về stato
I
=
'
2
I
'
nm2
=
( )
2
2
'
21
1

/
nm
XsRR
U
++
(2)
II. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ
Để tìm phương trình đặc tính cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất
trong động cơ.
Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto :
P
12
=M
đt
.
ω
1
M
đt
: là mô men điện từ của động cơ
Bỏ qua các tổn thất phụ thì : M
đt
= M
cơ
= M
Công suất đó chia làm hai phần :
P
cơ
: Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ.
∆P

2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto.
P
12
= P
cơ
+ ∆P
2
M.
ω
1
= M.
ω
+∆P
2

Do đó : ∆P
2
= M.(
ω
1
-
ω
) = M.
ω
1
.s
Mặt khác : ∆P
2
= 3.I

2'
2
.R
'
2
M =
1
'
2
2'
2
s
R
.I.3
ω
Từ đó ta có : M=
sX
s
R
R
RU
nm

3
2
2
'
2
11
'

2
2
1








+








+
ω
(3)
Xác định cực trị bằng cách tính:
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 7 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ

0

ds
dM
=
Từ đó suy ra :
s
th
=
2
nm
2
1
'
2
XR
R
+
M
th
=
)XRR.(.2
U
2
nm
2
111
2
f1
++ω
(4)
Thay (3) vào (4) ta có :

M =
( )
th
th
th
thth
s.a
s
s
s
s
s.a1.M.2
++
+
Trong đó : a =
'
2
1
R
R

S
S
th

M
th
M
Hình 1.2 : Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tớiđặc tính cơ:

- ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato.
- ảnh hưởng điện trở mạch rôto.
- ảnh hưởng của điện áp lưới cấp cho động cơ.
- ảnh hưởng của tần số lưới cấp cho động cơ f
1
.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 8 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Trong mỗi trường hợp ứng dụng động cơ KĐB vào thực tế mà có các đường
đặc tính cơ khác nhau đối với từng loại tải.
Công thức tổng quát:
Mc = Mco + (Mđm – Mco)(ω/ω
đm
)
α

Mc : Momen ứng vớitốc độ ω
Mđm, Mco : mômen ứng vớitốc độ định mức và ứng vớiω=0.
α = 0, Mc = Mđm = const _ các cơ cấu nâng hạ tải(đường1)
α = 1, Mc tỉ lệ bậc nhất vớiω -> ít gặp
α = 2, Mc tỉ lệ bậc haivớiω -> trường hợp trong máy bơm quạt gió
(đường 3)
α = 1, Mc tỉ lệ nghịch vớiω -> máy cuộn giấy
ω
ω
đ
Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ ứng vớimỗitrường hợp.
Trong đồ án này, ta nghiên cứu động cơ không đồng bộ trong quạt gió,

tức là đường đặc tính cơ số (3) trên đồ thị . Quạt gió là một trong những thiết bị
sử dụng rôto lồng sóc, nó thường dùng độc lập để thông thoáng khí cho nhà
riêng, xưởng sản xuất, đặc biệt trong hầm mỏ, tuỳ từng trường hợp mà nó có
công suất khác nhau.
Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay vẫn còn là một vấn đề
chưa được giải quyết triệt để bởi mỗi phương pháp chỉ thoả mãn một yêu cầu,
một phạm vi nào đấy, nó vẫn có những hạn chế nhất định. Riêng đối với quạt
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
1
2
3
4
- 9 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
thông gió với yêu cầu cụ thể, ta có phương pháp điều chỉnh tốc độ khá đạt yều
cầu sẽ được trình bày ở phần sau của đồ án.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 10 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Hiện nay có nhiều phương pháp được đưa ra để điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ nhưng mỗi phương pháp đều có ưu khuyết điểm của nó mà chưa
giải quyết được toàn bộ vấn đề như năng lượng tiêu thụ, phạm viđiều chỉnh,
thiết bị sử dụng Có 2 hướng tác động để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ là : Tác động vào stato như thay đổi số đôi cực, thay đổi điện áp, biền đổi

tần số nguồn điện vào ; tác động vào roto như thay đổi điện trở roto hoặc nối
tiếp điện trở phụ.
Vì động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nên những
phương pháp điều chỉnh tốc độ theo hướng thứ nhất. Ta sẽ tìm hiểu sơ lược về
các phương pháp điều chỉnh này:
1. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC :
Nói chung, trong điều kiện bình thường, động cơ điện có hệ số trượt khá nhỏ,
vì vậy tốc độ của roto gần bằng tốc độ đồng bộ n
1
= 60f
1
/p. Do đó khif
1
= const
thì thay đổi p (số đôi cực của đây quấn stato) có thể thay đổi được tốc độ.
Dễ thấy, khi thay đổi số đôi cực p là số tự nhiên nên tốc độ chỉ có thể thay
đồi từng cấp, điều chỉnh tốc độ không phẳng. Để thay đổi số đôi cực ta có thể
đồi cách nối các bối dây hay lắp sẵn các bối dây có số đôi cực khác nhau hoặc
phối hợp cả cách trên.
Ví dụ hình 1.1 ta có thể đổi cách nối dây để thay đổi số đôi cực khi thay đổi
bước cực theo tỉ lệ 2:1.
Ngoài ra người ta còn chế tạo động cơ điện 2 tốc độ thành loại mômen
không đổi và loại công suất không đổi tuỳ theo cách đấu Y hay ∆ và đấu dây
quấn pha song song hay nối tiếp (hình 1.2)
Gọi công suất động cơ điện 2 tốc độ với số đôi cực ít (p
1
), với số đôi cực
gấp đôi(p
2
=2 p

1
). Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có :
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 11 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Giả thiết khi đổi tốc độ, hiệu suất và cosϕ không đổi ta có : công suất P
2
/P
1
=
1/2 mà ta lại có P= Mω (ω: tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : công suất đầu
trục cử động cơ)
=>
2
2
2
1
22
11
22
11
2
1
====
M
M
Mn
Mn
M

M
P
P
ω
ω
<=> M
1
= M
2
Máy có mômen không đổi khi ta thay đổi tốc độ quay. Với loại máy có sơ đồ
đấu dây ở hình 1.2b ta có:

112
cos33
ϕη
f
IUP
′
=
112
cos.2.3
ϕη
f
IUP
′
=
=>P
1
/P
2

= 2/
3
= 1.15
Động cơ điện chế tạo theo kiểu này có công suất không đổi.
Trong phương pháp này có ưu điểm : Thực hiện khá đơn giản, có thể thay
đổi tốc độ mà vẫn giữ được mômen không đổi hoặc công suất không đổi. Tuy
nhiên nó có khuyết điểm là chỉ ứng dụng với động cơ roto lồng sóc, thay đổi tốc
độ theo cấp và chỉ ít cấp thay đổi, vận hành và thay đổi tốc độ khá nhỏ bởi phải
có kiến thức đấu dây, khó sửa chữa khi hỏng hóc. Đối với quạt gió mà ta cần
điều chỉnh trơn thì phương pháp này là không thích hợp.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 12 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔITẦN SỐ NGUỒN CẤP

Từ biểu thức
ω
1
= 2
π
f
1
/p mà:

( ) ( )
s
p
f
snn −=−= 1

60
1
1
1
Ta thấy rằng s ít thay đổi tần số sẽ làm tốc độ n tỉ lệ thuận với tần số nguồn
cấp.
Khi bỏ qua điện trở nhỏ roto r
1

Mmax=c.(U
1
/f
1
)
2
Vớic là hệ số.
Giả sử U
2
'
M' là điện áp và momen lúc tần số là f
2
; ta có ;
M
2max
/M
2
= M
1max
/M
1

<=>
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1
2
max1
max2
1
2
.
.
f
f
U
U

M
M
f
f
U
U
fU
fU
M
M
M
M
=⇒=⇒==
Nếu yêu cầu P
cơ
không đổi thì từ biểu thức trên ta suy ra
(U
2
/U
1
)
2
=f
2
/f
1
Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta lại thay đổi điện áp cung cấp
vào cho động cơ để đảm bảo momen không đổi hay công suất không đổi. Điều
này không đơn giản và thường có giá thành thiết bị điều chỉnh đắt.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương

Lớp:
L
ĐC
C
- 13 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Ưu điểm của phương pháp này là bộ điều chỉnh có thể đặt ở vị trí bất kì,
đem lại hiệu quả kinh tế cao khi có nhiều động cơ điện làm việc đồng thời, có
thể điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng có khả năng hãm tái sinh. Tuy nhiên nó
có những nhược điểm không áp dụng cho quạt gió được mà ta sẽ xem dưới đây
sau.
3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CẤP CHO ĐỘNG CƠ.
Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stato, do đó có
thể điều chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp
Stato trong khi giữ nguyên tần số. Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ
biến đổi điện áp xoay chiều(ĐAXC) mà ta thường dùng bộ 6 Tiristor đấu song
song ngược.
Khi điện áp lưới giảm, mô men tới hạn sẽ giảm theo bình phương lần độ
suy giảm của điện áp l bộ w
1
ưới. Trong khiđó tốc độ đồng giữ nguyên và độ
trượt tới hạn s
th
không thay đổi.Hệ số trượt bằng 1/α
2
hệ số trượt cũ, khi đó tốc
độ là:
n = n
1
(1 – s/α

2
).
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
T
1
T
4
A
T
3
T
6
B
T
5
T
2
C
- 14 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Như vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện áp
nguồn cấp vào động cơ. Đặc biệt đối với phương pháp này tổn thất để điều chỉnh
là khá nhỏ đối với tải là quạt gió tương ứng với số mũ bằng 2 trong phương trình
đặc tính cơ. Tuy nhiên : momen động cơ được tính theo:
S
RI
M
rr
.

3
1
2
ϖ
=
I
r
:dòng điện rôto
R
r
: điện trở rôto
M.s = const nếu I
r
= cosnt => M và s bị trói buộc nên phạm vi điều chỉnh nhỏ
chỉ phù hợp với quạt gió bởi phạm vi điều chỉnh cỡ 3 :1.
Bộ điều áp xoay chiều thường dùng van bán đẫn hơn cả bởi nó vừa đảm bảo
chỉ tiêu kĩ thuật và giá thành hợp lí. Điện áp được qua bộ van bán dẫn phụ thuộc
vào góc mở α của tiristor.
Kết luận :
+ Phương án điều chỉnh tần số nguồn tuy là phương án điều chỉnh bằng
phẳng nhưng trong trường hợp tần số giảm f
1
<f
đm
nếu giữ nguyên điện áp U
1
dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn (vì tổng trở của động cơ sẽ giảm theo tần số).
Do vậy khigiảm tần số cần phảigiảm điện áp theo quy luật nhất định. Vì vậy
khinào có nhiều động cơ điện cũng thay đổitốc độ theo một quiluật chung thì
cách điều chỉnh này mới thực hiện tốt. Hơn nữa nó chỉ cho giá trị kinh tế khi

điều chỉnh nhiều động cơ một lúc mà quạt gió thì lại hoạt động độc lập. Phương
pháp điều chỉnh bằng đổi số đôi cực không điều chỉnh trơn được tốc độ và phụ
thuộc nhiều vào công đoạn chế tạo động cơ.
+ Do quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc với công
suất nhỏ hơn 200KW vớiyêu cầu điều chỉnh trơn, vùng điều chỉnh không quá
rộng (cỡ 3:1) thì áp dụng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha là hợp lý bởi
nó áp dụng cho động cơ làm việc độc lập, tổn thất nhỏ hiệu suất cao.
Vậy ta sẽ dùng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 tiristor mắc
song song ngược điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở α để điều
chỉnh điện áp cấp cho động cơ.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 15 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG 3
SƠ ĐỒ MẠCH LỰC VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
I. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ ĐỘNG LỰC.
Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm 3 sơ đồ
như hình 3.1 a, b, c.
Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (hình 3.1 a),
tảiđấu sao không trung tính (hình 3.1 b), tải đấu tam giác (hình 3.1 c). Tải đấu
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
a
∼
∼ ∼
Hình 3.1: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristor mắc song
song ngược
c
∼

∼
∼
b
∼
∼
∼
- 16 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
sao có trung tính, có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều
khiển dịch pha theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn,
vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên
dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác
0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha
có bốn đầu dây ra.
Các sơ đồ không trung tính hình 3.1 b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ
có trung tính. Dòng điện chạy giữa các pha vớinhau, nên đồng thời phải cấp
xung điều khiển cho hai Tiristor của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều
khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả việc đổi
thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ.
Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba
pha bằng các cặp tiristor như hình 3.1 được thay thế bằng các sơ đồ triac như
hình 3.2.
Như đã giới thiệu ở trên, triac về nguyên lí điều khiển giống hệt các cặp
tiristor mắc song song ngược. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ hình 3.1 hay hình
3.2 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra, hình 3.2 có ưu
điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép.
Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có
thể sử dụng sơ đồ cặp tiristor - điốt. Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế
không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có dòng điện chạy qua
tải.

Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
c
Hình 3.2: Điều áp ba pha bằng Triac
∼
a
∼
∼
∼
b
∼
∼
∼ ∼
∼
- 17 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể
sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như hình 3.3.
Ưu điểm của sơ đồ hình 3.3 là số lượng van bán dẫn ít hơn và mạch điều
khiển cũng đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối
xứng, nên đường cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau, vì vậy
giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ đồ này
chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn được phép làm việc không đối xứng và
có số lượng van bán dẫn bị hạn chế.
Hình 3.3: Sơ đồ điều áp ba pha không đốixứng
Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ, ngoài chế
độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo chiều quay.
Động cơ điện không đồng bộ khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự pha. Sơ
đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ như giới thiêu trên
hình 3.4:

Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
∼
∼
∼
Hình 3.4: Sơ đồ điều áp ba pha có đổithứ tự pha
∼
∼
A
1
B
1
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6
T
7
T
8
A B
∼

C
1
T
9
T
10
C
- 18 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Khi chiều quay thuận cấp xung điều khiển cho T
1
,T
2
,T
7
,T
8
,T
9
,T
10
; Các
pha lướiA
1
, B
1
, C
1
được nối tương ứng với các cuộn A, B, C của động cơ.
Khiở chiều quay ngược ta cấp xung điều khiển choT

3
,T
4
,T
5
,T
6
,T
9
,T
10
. Các pha
lướiA
1
, B
1
, C
1
được nối tương ứng B, A, C của động cơ.
Với bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió ở đây, không yêu cầu đảo chiều
thích hợp nhất ta sẽ chọn sơ đồ Tiristor đấu song song ngược 3 pha không có
điểm trung tính. Nếu chọn sơ đồ Triac thì phải tăng cấp làm mát sẽ làm cồng
kềnh mạch.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 19 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
II. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC
III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
+ Đóng cầu dao của áptômát AT cấp điện cho mạch. Lúc này bộ

biến đổi đang khoá nên động cơ chưa được cấp điện, nút mở máy đang mở
nên điện chưa được cấp vào động cơ.
+ Để mở máy, ấn nút mở máy M, cuộn hút rơle khởiđộng có điện
tác động làm các tiếp điểm R
tđ
đóng lại, điện được duy trì cấp cho rơle và
đồng thời cấp điện cho mạch điều khiển tác động mở các Tiristor hầu như
ngay lập tức. Động cơ được cấp điện bắt đầu quá trình khởi động.
+ Trong quá trình làm việc, việc điều chỉnh tốc độ thông qua điều
chỉnh một điện áp đặt nhờ biến trở đặt trên mạch điều khiển để điều chỉnh
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
Z
A
Z
B
Z
C
R
2
R
2
R
2
C
2
C
2
C
2

C
1
C
1
C
1
R
1
R
1
R
1
AT
C
BA
- 20 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
góc mở α của bộ Tiristor. Tín hiệu phản hồi để điều chỉnh là điện áp lấy từ
bộ phát tốc đưa về mạch điều khiển.
+ Khi muốn dừng máy ta ấn nút dừng D, rơle R
tđ
bị mất điện làm
cuộn hút nhả, các tiếp điểm R
tđ
mở ra cắt điện cấp vào mạch điều khiển.
Bộ biến đổi bị khoá, các Tiristor không dẫn, động cơ được cắt khỏi lưới.
+ Các điện trở R,C bảo vệ bộ Tiristor, các cầu chì CC bảo vệ
ngắn mạch dòng quá tải lớn. Bộ biến dòng cấp điện cung cấp cho các rơle
nhiệt RN. Các rơle nhiệt RN để bảo vệ quá tảilâu dài. Khi quá tải lâu dài
nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép làm rơle nhiệt tác động mở các tiếp

điểm RN ngừng cung cấp điện cho mạch, cắt động cơ ra khỏi lưới. Khicó
hiện tượng mất pha mạch bảo vệ mất pha nằm trong bộ điều khiển tác động
cũng cắt điện lưói vào động cơ và mạch điều khiển.

IV. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHO MẠCH LỰC
Các thông số động cơ cần được điều khiển:
P
cơ
= 43 kW U
đm
= 380/220 V Cos ϕ = 0,82 η = 0,87
P
1
=P
cơ
/h =3U
f
.I
f
cosf ⇔ I
f
=
82,0.220.3.87,0
43000
cos3.
=
ϕη
f
co
U

P
= 91,58(A)
Như vậy I
t
=91,58(A)
Dòng hiệu dụng qua van : I
v
=1/2I
t
=45,78 (A)
Dòng trung bình qua van : I
tb
=
dttIv
∫
Π
Π
0
)sin(.2
1
ω
=
Iv
Π
22
=
41,2(A)
Điện áp ngược đặt lên van : U
ng
=

2
.U
2
=380.
2
=537,4 (V)
4.1. Tính chọn van
Các van bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc, nhiệt
độ mặt ghép vượt quá nhiệt độ cho phép thì dù trong thời gian rất ngắn
cũng có thể phá huỷ thiết bị bán dẫn. Thiết bị không làm mát thì khả năng
chịu dòng tải chỉ còn khoảng (25÷50) dòng định mức.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 21 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
Trong công nghiệp người ta thường dùng ba phương pháp làm mát :
• Làm mát bằng nước (cho nước trực tiếp chảy qua cánh
tản nhiệt tức là cần một hệ thống bơm và ống đẫn rất
phức tạp.)
• Làm mát bằng gió cưỡng bức (dùng quạt thông gió bao
quanh cánh tản nhiệt)
• Làm mát tự nhiên để van tự tản nhiệt tự nhiên qua các
cánh tản nhiệt vào môitrường.
•
Đối với phương pháp 1 và 2 được dùng cho thiết bị công suất lớn đòi
hỏi điều khiển với chất lượng cao, giá thành làm mát là cao và lắp đặt cồng
kềnh phức tạp. Đối với bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng cho động cơ
không đồng bộ tải là quạt thông gió thì sử dụng làm mát cho van là phương
pháp làm mát tự nhiên là hợp lý bởi đây là loại thiết bị tải nhẹ và ít thay
đổi. Khi làm việc lượng gió qua thiết bị lớn nên có thể lợi dụng để làm mát

cho van được. Khiđó ta lấy hiệu suất của van là 25%.
Từ các số liệu tính toán ở trên ta có:
Dòng hiệu dụng qua van : I
v
=1/2I
t
=45,78 (A)
Điện áp ngược đặt lên van :U
ng
=
2
.U
2
=380.
2
=537,4 (V)
- Dòng chọn van :I
cv
=
)(8,164
25
100.2,41
A=

- Điện áp chọn van :U
cv
=U
ng
max.K
DT

=537,4.1,8=967,32(V)
Như vậy ta có thể chọn loại van ST180S12P0V vớicác thông số :
U
đm
= 1200 V U
đk
= 3 V t
cm
= 100 µs
I
tb
= 200 A I
RMS
= 314 A T
cp
= 85
0
C
I
X
= 4,2 KA I
dò
= 20 mA
I
đk
=0.15 A ∆U = 1,75 A
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 22 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ

4.2. Tính bảo vệ van
+ Lý do bảo vệ :
Các phần tử bán dẫn công suất đòi hỏi các điều kiện bảo vệ rất khắt
khe trước hết là các trị số giới hạn cho phép sử dụng do nhà sản suất quy
định đối với từng phần tử :
- Điện áp ngược lớn nhất
- Trị số trung bình cho phép đốivớiđóng điện
- Nhiệt độ lớn nhất cho phép của mạch ghép
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp du/dt
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di/dt
- Thờigian khóa
Nếu quá trị cho phép của nhà sản suất đều gây ra hư hỏng cho van.
Do đó chúng cần được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ xảy ra : ngắn
mạch tải,quá điện áp hoặc quá dòng điện.
4.2.1. Thiết kế tản nhiệt
Dòng qua van ở đây không quá lớn 45,78 A nên không cần mắc
song song các Tiristor. Ta chỉ cần thiết kế cánh toả nhiệt cho nó.
Khi làm việc, van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P =
∆U.I
lv
. Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ được làm việc
tới nhiệt độ tối đa cho phép T
cp
nào đó. Do đó phải tìm cách bảo vệ quá
nhiệt cho van bán dẫn.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
h
h
b

a
c
z
h
o
1
Hình 1.31 Hình dáng v kích thà ước giớihạn cho cánh toả
nhiệt một van bán dẫn
- 23 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
Muốn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn cần phảichọn đúng dòng
điện van theo chế độ làm mát. Làm mát van hiện nay phổ biến ngườita
thường dùng cánh toả nhiệt. Diện tích bề mặt toả nhiệt có thể được tính gần
đúng theo công thức:
τ
∆
=
tn
tn
k
P
S
=
60.001,0
75,1.78,45
= 1335,25 [cm
2
]
Do tổn hao công suất
P∆

= 45,78.1,75 = 80 < 100 nên ta chọn
phương pháp làm mát tự nhiên băng cánh toả nhiệt
Trong đó:
S
tn
- diện tích bề mặt toả nhiệt [cm
2
];
∆
P - tổn hao công suất [ W ];
τ
- độ chênh nhiệt so vớimôitrường
τ
= T
lv
-T
mt
T
lv
-T
mt
- nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môitrường [
o
C ];
k
tn
- hệ số có xét tớiđiều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự
nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn k
tn
= 10.10

-4

[
W/cm
2 o
C
]
.
Chọn toả nhiệt có 6 cánh (12 mặt tiếp giáp) thì diện tích 1 mặt là

12
1335
= 111 [cm
2
]
Chọn b =11 cm h = 10cm c = 3cm z= 7cm h
o
= 10mm
Suy ra a = 53 cm.
4.2.2- Bảo vệ quá điện áp
Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy
cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất
tới van bán dẫn mà cần có phương thức bảo vệ là:
• Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van.
• Xung điện áp do chuyển mạch van.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 24 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
• Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là

do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây.
• Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải.
Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, cần
chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược.
Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn.
Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch
R - C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch
này mô tả trên hình 1.34a. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra
ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P-N. Mạch R - C mắc
song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá
trình chuyển mạch van.
Có thể tính các giá trị R,C bằng phương pháp đồ thị nhưng để đơn
giản ta chọn theo kinh nghiệm R = 30
Ω
C = 4
F
µ
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới.
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, mắc song song với tải ở đầu vào
một mạch R - C, nhằm lọc xung như mô tả trên hình 1.34b. Khi xuất hiện
xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như
nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào
tải.
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do cắt biến áp non tải.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
Hình 1.34 Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng
do xung điện áp.
C
R

2
R
1
c.
D
1
D
5
D
5
D
2
D
4
D
6
C
C
C
R
R
R
b.
R
T
C
a.
- 25 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến

đổi người ta thường mắc một mạch R-C ở đầu ra một chỉnh lưu cầu ba pha
phụ bằng các điốt công suất bé, như mô tả trên hình 1.34c. Trị số tụ C trong
trường hợp này có thể được tính:
Trong đó: I
µ
- Dòng điện từ hoá biến áp %;
I
2
;U
2
- Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp;
K
TU
- Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường
được chọn K
TU
= 1,25
÷
1,5.
Biên độ điện áp xung khi đóng biến áp nhỏ hơn nhiều so với khi cắt,
do đó mạch trên cho phép bảo vệ quá điện áp trong cả hai trường hợp này.
ở đây ta chọn phương pháp ghép RC. Sơ đồ như sau :

Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra,
tốc độ biến thiên của dòng điện , điện cảm trên đường dây, dòng điện từ
hoá máy biến áp …
4.2.3 Bảo vệ quá dòng điện
+ Vớiđiện U = 380 V ; I
đm
=91,58A K

u
= K
i
= 1,25 thì :
Điện áp lớn nhất mà Aptômát phảichịu là:
U
max
= K
u
. U = 1,25. 380 = 475 V
Dòng điện trung bình qua Aptômát là:
I
tb
= K
i
.I
đm
= 1,25. 45,78 = 57,225 (A)
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
)43.1(
U
I
1K
I
30C
2
2
2
Tu

−
=
µ