Đồ án thiết kế khởi động mềm xoay chiều 3 pha cho động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHỞI
ĐỘNG MỀM
1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha
-Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo
nguyên lý cảm ứng điện từ.Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường
quay trong máy.
- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh
hoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất
cao,dải công suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp.Các động cơ từ 5hp trở lên
hầu hết là 3 pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )
1.1.1 Cấu tạo
Cũng như các máy điện quay khác,động cơ không đồng bộ ba pha cũng
gồm các bộ phận chính sau:
-Phần tĩnh(stator)
-Phần quay(rotor)
a/Stator
Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn
-Vỏ máy:Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator,vỏ có
dạng trụ rỗng,có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ
1
trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏ
bằng nhôm,còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang.
-Lõi thép:Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện
với nhau(nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng.Mặt trong của các
lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator
-Dây quấn stator:Được quấn thành từng các mô bin,mà các cạnh của mô
bin đó được đặt vào lõi thép stator.Các mô bin được cách điện nhau và cách điện
với lõi thép
b/Rotor
Gồm có lõi thép,trục máy và dây quấn
-Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn

và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây,còn ở
giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy.Các lá thép nói trên được ghép lại với
nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy,mặt ngoài của trụ là cá rãnh
để đặt dây quấn rotor.Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong
các lá thép của stator
-Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor.Trục
được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
-Dây quấn rotor có hai loại:loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn
+Loại rotor kiểu lồng sóc:Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng
thau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch
ở hai đầu.Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh
dẫn,vành ngắn mạch,cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát.Các động cơ trên
100kw thanh dẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn
chặt vào vành ngắn mạch.
2

+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
1.1.2 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.
1.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ .
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ

lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần.
Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối
với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi
cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi
động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng.
Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ
điện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ như
3
Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của
động cơ không đồng bộ
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc công suất lớn nếu ta mở máy trực tiếp sẽ
làm nứt rotor. Dẫn đến khởi động không tải thì được nhưng khi đóng tải vào thì
máy lại không chạy.
Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:
1. Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản của tải.
2. Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
3. Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
4. Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
Những yêu cầ trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi mômen mở
máy lớn thì dòng điện mở máy cũng lớn hoặc thiết bị mở máy đắt tiền. Vì vậy
phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích
hợp.
1.2.1 Phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy .
Sơ đồ nối dây như hình 1. Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với
động cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách
đóng tiếp điểm K
2
vào và mở K
1
ra)

Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là k
T
(k
T
< 1) thì:
4
U
L
ATM
T
K
1
K
2
RLN
I
1
I
’
k
U
’
k
Hình 2: Hạ áp mở máy bằng
biến áp tự ngẫu
- Điện áp đầu cực động cơ : U
’
k
= k
T

.U
1
- Dòng điện mở máy : I
’
K
= k
T
.I
K
- Mômen mở máy : M
’
K
=
2
T
k
.M
K
Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I
1
(dòng điện bên sơ cấp máy biến áp
tự ngẫu) thì dòng điện I
1
= k
T
.I
’
K
=
2

T
k
.I
K
Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn
2
T
k
lần.
Ưu điểm:
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.
- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn
kháng thì ta có mômen máy lớn hơn.
- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp,cao áp.
Nhược điểm;
- Mômen mở máy giảm
- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu
1.2.2 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato
Sơ đồ nối dây như hình 2. Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp
một điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K
1
của công
tắc tơ thì điện kháng này bị nối ngắn mạch.
5
U
L
U
L
ATM
Cuộn

kháng
K
1
RLN
U
’
k
I
’
k
Hình 3: Hạ điện áp mở máy bằng
cuộn kháng
Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết.
Do có điện áp giáng trên điện kháng nên diện áp mở máy trên đầu cực động cơ
U
’
K
sẽ nhỏ hơn điện áp lưới. Gọi dòng điện mở máy và mômen khi mở máy trực
tiếp là I
K
và M
K
. Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện
vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện kháng vào:
Dòng điện mở máy còn lại là : I
’
K
= k.I
K
Điện áp đầu cực động cơ điện là : U

’
K
= k.U
K
Mômen mở máy là : M
’
K
= k
2
.M
K
Trong đó: k < 1.
Ưu điểm:
- Thiết bị khởi động đơn giản
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu
- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp.
Nhược điểm:
- Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi bình
phương lần.
1.2.3 Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆
Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với
những máy khi làm việc bình thường đấu tam
giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện
áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có U
1
/
3
. Sau
khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆. Sơ đồ
cách đấu dây như hình 3. Khi mở máy thì đóng

ATM, tiếp điểm K
Y
đóng, còn tiếp điểm K
∆
mở,
như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì
đóng tiếp điểm K
∆
, máy đấu ∆
Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y
thì ta có:
6
U
L
ATM
K
∆
RLN
K
Y
Hình 4: Mở máy bằng cách đổi
nối Y - ∆
- Điện áp pha trên dây quấn là : U
kf
=
1
U
3
1
- Dòng điện pha khi mở máy là :

kf
'
kf
I
3
1
I =
- Mômen khi mở máy là :
k
'
k
M
3
1
M =
Khi mở máy trực tiếp máy đấu ∆ khi ấy
- Điện áp pha trên dây quấn là : U
kf
= U
1
- Dòng điện pha khi mở máy là :
kfk
I.3I =
Như vậy khi mở máy đấu Y thì:
- Dòng điện pha khi mở máy là : I
1
=
kkf
'
kf

I
3
1
I
3
1
I ==
- Mômen khi mở máy là:
k
'
k
M
3
1
M =
Trường hợp này tương tự như dùng một máy biến áp tự ngẫu mở máy mà
tỷ số biến đổi điện áp k
T
=
3
1
.
Ưu điểm:
- Phương pháp này đơn giản, được áp dụng rộng rãi với những động cơ điện
khi làm việc đấu tam giác.
- Phương pháp này dùng cho động cơ hạ áp.
Nhược điểm:
- Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380.
Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu
1.2.4 Khởi động động cơ sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha

Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4. Ứng với các góc
mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảm
nhỏ khác nhau
7
Hình 5: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều
Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4. Ứng với các góc
mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảm
nhỏ khác nhau
Ưu điểm:
- Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở α lớn để hạn chế
dòng điện mở máy.
- Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau.
Nhược điểm:
- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng.
1.3 Tổng quan về công nghệ khởi động mềm
1.3.1 Giới thiệu chung về công nghệ khởi động mềm
Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng
có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi
động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ
điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng
mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn
nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc
tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn
định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới.
- Sử dụng phương pháp Biến tần.
8
ĐC
RLN
ATM
Thyristor

U
L
- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều.
+ Ưu điểm: Thiết bị điều khiển nhỏ gọn. Khả năng đáp ứng nhanh. Đặc
tính điều chỉnh trơn. Dễ đồng bộ hóa với việc điều khiển toàn hệ thống. Phù hợp
với nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp. Có thể thực hiện việc dừng mềm
khi có nhu cầu. Với giá thành hiện nay, chi phí lắp hệ thống khởi động mềm
cũng không cao. Sử dụng được cho những động cơ công suất lớn.
+ Nhược điểm: Dạng điện áp và dòng điện qua điều khiển cấp cho tải sẽ
không còn là hình sin trong dải điều chỉnh. Do mạch điều khiển phức tạp nên
người vận hành cần phải có một trình độ hiểu biết nhất định. Việc kiểm tra bảo
trì phức tạp hơn.
- Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở
đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp
tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình
khởi động mềm (ramp) . Toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở
thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không
đổi theo tần số điện áp lưới. Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải
pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột
ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải. Có chức năng bảo
vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha
Những đặc điểm khác:
- Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt.
- Có chức năng điều khiển và bảo vệ.
- Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz.
- Có phần mềm chuyên dụng đi kèm.
- Lắp và đặt chức năng dễ dàng.
1.3.2 Phạm vi ứng dụng
- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu.
- Động cơ bơm.

- Động cơ vân hành non tải lâu dài.
9
- Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )
- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy,
máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt …
1.3.3 Kĩ thuật khởi động và dừng
a. Những nét chính
Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song
ngược cho 3 pha. Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ
lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua
điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp. Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi
động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược)
trong mạch lực. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên
việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện
áp là thay đổi.
Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng
tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn.
Giải thích:
IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp.
IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp.
In – Dòng điện định mức của động cơ.
Us – Điện áp bắt đầu ramp.
Un – Điện áp định mức của động cơ.
10
tr - Thời gian ramp.
n - Tốc độ động cơ.
Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ
khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính
là chức năng phát hiện tăng tốc.
b. Dừng tự do theo quán tính

Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi
dừng trong khoảng thời gian xác định. Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ
có thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng
tải đột ngột không mong muốn.
c. Dừng mềm
Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng
truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết bị
và sản phẩm.
Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong
khoảng từ 1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm
Ustop = 0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời
gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm
đặt theo chương trình.
Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ
từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh
11
khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động
trở lại.
d. Tiết kiệm năng lượng khi non tải
Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trường hợp này khởi
động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0,
việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng
và tổn hao sắt %.
12
CHƯƠNG 2 : TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT
2.1 Tính chọn mạch công suất
2.1.1 Mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha tải hình sao có dây trung
tính .
HÌNH 2.1 : Sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha tải hình sao có
dây trung tính

- 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 pvan 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 hòa
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 3 pha có bốn đầu dây ra.
13
2.1.2: Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều 3 pha (dùng Tiristor+Diot) đấu
nối sao không dây trung tính tải đấu sao không dây trung tính
HÌNH 2.2 : Sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều 3 pha (dùng
Tiristor+Diot) đấu nối sao không dây trung tính tải đấu sao không dây trung tính

+Hình dáng và giá tri hiệu dụng của điện áp tải ở mỗi pha phụ thuộc vào thông
số mạch tải và góc mở α.Các thyristor được điều khiển mở theo trình tự
1,3,5,1,3,5…
+Khi tải 3 pha đối xứng thì điện áp tải,dòng điện tải thì điện áp tải,dòng
điện tải ở các pha có dạng như nhau,lệch nhau 2π/3.Do đó ta xét dòng điện tải
pha a.
Giả thiết điện áp nguồn 3 pha đối xứng:
ua + ub + uc =0
ua =
2
Usin θ
ub=
2
Usin (θ - 2π/3)
uc =
2
Usin (θ - 4π/3)
uab= ua - ub =

6
Usin (θ +π/6)
uab= ua - ub =
6
Usin (θ - π/6)
Tiristo T1 được mồi ở α = θ ,còn T3 ở α = θ +2π/3 và T5 ở α = θ +4π/3
Ba dòng điện ia , ib, ic giống nhau ở một phần ba chu kỳ, nhưng ở nửa
chu kỳ âm khác nửa chu kỳ dương,do vậy điện áp trên tải pha A, pha B, pha C
và của các Tiristo T1 ,T3, T5 là khac nhau vì có diot nên không có giá tri âm.
+Nếu tải thuần trở có ba chế độ làm việc liên tiếp sau đây khi α đi từ
0 đến 7π/6.
Khi 0 < α < π/2: ba hoặc hai van dẫn.
14

Đồ thị với α = 45
Khi π/2 < α < 2π/3: ba ,hai hoặc không có van dẫn.
Đồ thị với α = 105
Khi 2π/3 < α < 7π/6 : Hai hoặc không có van dẫn.
15
Đồ thị với α = 135
+Nếu tải R-L có modun Z và góc pha để làm thay đổi trị hiệu dụng của
dòng điện ia , ib, ic từ cực đại đến không thì góc mồi α phải tăng từ
ϕ
đến 7π/6.
Các cuộn dây stator của động cơ không đồng bộ 3 pha thuộc dạng tải trở
-cảm (R+L).
- Ưu điểm: Sơ đồ lắp giáp đơn giản,điện áp đạt lên các van nhỏ.Tiết
kiệm chi phí hơn so với sơ đồ mắc song song ngược 2 Tiristo.
- Nhược điểm: Điện áp và dòng điện trên tải không đối xứng nên chỉ sử
dụng cho những máy công suất nhỏ vì ảnh hưởng quan trọng của các điều hòa

bậc cao.Điều hòa bậc hai sẽ tạo nên momen phản kháng lớn đối với máy điện
quay.
2.1.3 Mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều tải ba pha tam giác .
16

Hình 2.3 : sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều tải ba pha tam giác
- Ưu điểm : Ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách
ghép.
- Nhược điểm : ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời
phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo 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 thức tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động.
2.2 Chọn mạch công suất
Từ những phân tích ưu,nhược điểm trên ta thấy bộ điều áp 3 pha nối sao
không dây trung tính có sơ đồ lắp giáp đơn giản,phù hợp với yêu cầu đồ án của
tôi đặt ra nên tôi chọn bộ điều áp này để thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ
không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
2.3 Thiết kế mạch lực
2.3.1 Tính toán chọn van bán dẫn công suất
Từ đồ thị điện áp của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha ta sẽ tính được
điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor và Diot và dòng trung bình qua chúng.
Việc tính chọn Tiristor và Diot sẽ dựa vào các thông số U
ngmax
và I
tb.

Theo đề bài động cơ 3 pha mà ta cần điều khiển có các thông số sau:
P = 30 KW
U=380V
cos

ϕ
= 0.82
n=1448 v/ph
17
Hiệu suất: η = 0.92
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van là:
U
ngmax
=
2
U
đm
=
6
U
p
U
ngmax
=
2
U
đm
=
2
.380 = 537,40(V)
Điện áp van cần có là:
U
v
= k
u

.U
ngmax
= 1,6x537,40 = 859,84(V)
K
u
- là hệ số dự trữ điện áp
Dòng điện tải là :
I
t
=
ϕη
cos3
dm
U
P
=
82,0380392,0
000.30
xxx
= 60,42(A)
Dòng trung bình qua mỗi van là ;
I
tb
= ==30,21 (A)
Dòng điện làm việc của tiristor là 30,21 ( A ) là tương đối lớn, do đó tổn
hao năng lượng trên tiristor và điot cũng khá lớn vì vậy ta phải lựa chọn làm mát
cho phù hợp để đảm bảo cho tiristor và điot hoạt động bình thường và hết công
suất.
Ta có các phương pháp làm mát:
• Làm mát tự nhiên: Dùng cánh tản nhiệt và thông gió tự nhiên , phương

pháp này đạt hiệu suất 25%-30%.
• Làm mát bằng thông gió cưỡng bức: Bằng cách lắp quạt gió vào cánh tản
nhiệt với tốc độ 15m/s,hiệu suất sử dụng 30% - 40%.
• Làm mát bằng nước: Cho nước chảy hoàn toàn qua van,hiệu suất đạt
90%.
Từ các phương pháp làm mát ta lựa chọn phương pháp làm mát bằng
cánh tản nhiệt có quạt gió cưỡng bức với tốc độ gió 12m/s với điều kiện làm mát
này tiristor và điot có thể làm việc với 35% dòng định mức.
Do đó dòng điện của van cần chọn là:
I
v
= 86,31(A)
18
Tiristo và diot mắc vào lưới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch
của Tiristo và diot không ảnh hưởng lớn đến việc chọn
Từ các thông số trên ta lựa chọn loại tiristo và diot sau:
+Diot : Ta chọn van h100-100 có thông số sau:
Dòng điện trung bình cho phép: Itb = 100 (A)
Điện áp định mức cho phép: Udm = 100 ÷ 1000 (V)
Điện áp rơi trên van : ∆U = 1,2 (V)
Đỉnh xung dòng điện: I
pik
= 1500 (A)
Dòng điện thử cực đại: I
th
= 314 (A)
+Tiristo: Ta chọn van T 130N có thông số sau:
Dòng điện trung bình lớn nhất: Itb = 130 (A)
Điện áp ngược lớn nhất : Ungmax = 1200 (V)
Góc dẫn van : 180 độ

Điện áp điều khiển : Udk = 1,4 (V)
Dòng điện điều khiển: Idk = 250 (mA)
Sụt áp thuận trên van: ∆U = 1.96 (V)
Điện áp ngưỡng U
0
= 1,08 (V)
2.3.2 Tính chọn các phần tử bảo vệ
.Bảo vệ quá nhiệt cho van
Khi làm việc, dòng chạy qua van có sự sụt áp, do đó có tổn hao công suất
∆P, sinh ra nhiệt đốt nóng các van bán dẫn. Mặt khác các van chỉ làm việc dưới
nhiệt độ cho phép nào đó T
cp
. Nếu vượt quá nhiệt độ cho phép thì van sẽ bị phá
hỏng. Vậy để van làm việc an toàn thì ta phải thiết kế và chọn hệ thống toả nhiệt
hợp lý.
- Tổn thất cụng suất trên một Tiristor:
∆P
T
= ∆U
T
.I
lv
= 1,4x86,31 = 120,834 (W).
- Tổn thất cụng suất trờn một Diôd:
∆P
D
= ∆U
D
.I
lv

= 0,85x86,31 = 73,36 (W).
- Diện tích bề mặt cánh toả nhiệt:
19
S
m
= ==0,13(m
2
).
Trong đó:
∆P: tổn thất trên van lớn nhất.
τ: Độ chênh nhiệt độ so với môi trường. T
mt
= 40
0
C, Nhiệt độ làm việc
cho phép của van là: T
cpD
= 180
0
C còn T
cpT
= 150
0
C, nên chọn nhiệt độ trên cánh
toả nhiệt T
lv
= 100
0
C.
⇒ τ = 100

0
- 40
0
C = 60
0
C
k
m
: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, theo TL1 chọn k
m
= 16
(w/m
2
.
0
C).
Vậy ta chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh:
a x b = 12 x 12. Tổng diện tích cánh toả nhiệt:
S = 12x2x12 x 12 = 3456 (Cm
2
) = 0,3456 (m
2
).
. Bảo vệ quá dòng cho van
Trong quá trình hoạt động và làm việc ta phải sửa chữa và bảo dưỡng
mạch động lực cũng như mạch điều khiển do vậy trong mạch còn có thêm các
thiết bị bảo vệ như: aptomat, cầu chì, cầu dao.
Như ta đã biết dòng điện tải: I
t
=60,42(A )

Ta chọn aptomat có thông số và trị số như sau:
I
tt
=k
mm
.I
t
= 6 x 60,42= 362,52 ( A )
k
mm
= 5÷7
Ta có I
tt
của cầu chì là :
I
tt
=
k
mm
= 5÷7 ; C = 2.5
I
tt
= =145,01 (A)
Ta chọn dòng qua cầu chì: I
cc
= 1.1÷1.3 I
tt
I
cc
= 1,2 . 145,01=174,012 (A)

Lựa chọn cầu dao cách ly
Ta có dòng điện tải: I
t
=60,42 (A )
20
Ta phải lựa chọn cầu dao co dòng điện định mức:
I
tt
> I
t
Để bảo vệ chống tốc độ ta mắc nối tiếp cuộn kháng và được lựa chọn như
sau:
Do động cơ không đồng bộ có thể coi là tải trở cảm nên hạn chế tốc độ tăng
dòng. Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: khi dũng
qua cuộn không ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu như bằng không và
lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường.
Ta có mạch như hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:
U
f
= i.R + L.
dt
di
Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:

dt
di
max =
L
U

f
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho di/dt max phải
nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là:
dt
di
max < 150 A/µs

L
U
f
< 150A/µs
L >
6
10.150
2.220
= 2,07µH
21
Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị để tổng của điện cảm của động cơ và
cuộn kháng mắc nối tiếp phải có giá trị lớn hơn 2,07 µH.
.Tính chọn các phần tử bảo vệ
Trong quá trình làm việc van phải chịu điện áp ngược tương đối lớn do
vậy người ta phân ra làm 2 loại nguyên nhân gây quá áp:
a.Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. khi
khóa van tiristo và diot bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại
hành trình tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn.Sự biến thiên nhanh
chóng của dòng điện ngược gây nên suất điện động cảm ứng rất lớn trong các
điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn tới tiristo và diot . Vì vậy
giữa anôt va catot của tiristo và của diot xuất hiện quá điện áp. Ta có đồ thị thể
hiện quá trình biến thiên của điện áp và dòng điện trên
u

t
t
i
b. nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu
nhiên đôi khi đóng cắt không taỉ một biến áp trên đường dây, khi một cầu chì
nhảy khi có sấm sét…
Để bảo vệ quá áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên người ta
dùng mạch RC đấu song song với tiristo và diot như hình dưới:
22
Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc
độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện
từ hóa máy biến áp. Việc tính toán thông số của mạch R,C rất phức tạp, đòi hỏi
nhiều thời gian nên ta sử dụng phương pháp xác định thông số R,C bằng đồ thị
giải tích, sử dụng đường cong đã có sẵn.
Các bước tính toán như sau:
Xác định hệ số quá áp theo công thức:
k =
im
imp
U.b
U
với
imp
U
là giá trị cực đại cho phép của điện áp ngược đặt trên diot hoặc
thyristor một cách không chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu.

im
U
là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên diot

hoặc thyristor.
b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1 ÷ 2
Xác định các thông số trung gian:

)k(C
*
min
,
)k(R
*
max
,
)k(R
*
min
bằng cách tra trong đồ thị trong sổ tay tra cứu
Tính
dt
di
max khi chuyển mạch như ở phần tính toán cuộn kháng
bão hoà.
Xác định điện lượng tích tụ Q = f(
dt
di
), sử dụng các đường cong
cho trong sổ tay tra cứu để xác định.
Tính toán các giá trị của R, C theo công thức:
C =
im
*

min
U
Q.2
.C
Q2
LU
RR
Q2
LU
R
im
*
max
im
*
min
≤≤

trong đó L là điện cảm của mạch RLC
23
Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có
thể có đầy đủ tất cả các đường cong đặc tính cần thiết nên người ta thường chọn
giá trị của R, C theo kinh nghiệm:
R = 5 ÷ 30 ( Ω ) ; C = 0,1 ÷ 4 ( µF )
Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ.Với dòng qua van lớn,
ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn.
Theo tính toán, dòng qua van bằng 264,71 A là lớn nên ta chọn giá trị của
R, C như sau:
R =10 Ω
C = 2µF

Ta có sơ đồ hoàn chỉnh sau:
Để bảo vệ xung áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C song song với tải ỏ đầu
vào nhằm lọc xung . Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây nhờ có mạch
này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Do vậy trị
số R
,
C phụ thuộc nhiều vào tải. nhưng do quá trình tính toán rất phức tạp nên ta
chọn R1 ,C1 theo kinh nghiệm :
R1=12,5 Ω ; C1 =4µF.
24
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Các yêu cầu chung đối với hệ thống điều khiển
a. Đảm bảo phát xung với đủ các yêu cầu để mở van
- Đủ biên độ U
x

- Đủ độ rộng t
x
Xung điều khiển thường có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung
thường từ 20
s
µ
đến 100
s
µ
. Các thông số liên quan đến hình dạng một xung
điều khiển được minh họa trên hình vẽ:
b. Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển
Trong sơ đồ điều khiển các thyristor ở đây thì độ lệch cho phép của các
xung khác nhau phải ở trong một phạm vi cho phép với cùng một giá trị điện áp

điều khiển.
c. Đảm bảo cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực
Đối với khâu biến áp xung, thường được sử dụng như một khâu truyền
xung cuối cùng ở tầng khuếch đại xung, điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và thứ
cấp phải đạt 1500V – 2000V khi sơ đồ làm việc với điện áp lưới 3x380VA.
d. Đảm bảo đúng quy luật thay đổi về pha của các xung điều khiển
Đây là yêu cầu để đảm bảo phạm vi điều chỉnh của góc điều khiển
α
.
Thông thường đối với sơ đồ biến đổi xung áp xoay chiều góc
α
phải thay đổi
trong phạm vi 0
0
– 210
0
.
e. Có thể điều chỉnh được góc điều chỉnh
α
không phụ thuộc sự thay đổi
điện áp lưới
f. Không gây nhiễu cho các hệ thống điều khiển khác ở xung quanh
g. Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng mất pha…và báo hiệu khi có sự
cố
Đối với yêu cầu cụ thể của sơ đồ điều chỉnh điện áp cho bộ khởi động
cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì có hai yêu cầu chính là:
- Khi mở máy dòng mở máy qua động cơ phải được hạn chế vì lúc này
dòng mở máy tăng đột ngột sẽ gây hỏng động cơ.
25