Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐIỀU ÁP XOAY
CHIỀU. 4

1.1.

Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. 4

1.1.1.

Đại cương về động cơ không đồng bộ. 4

1.1.2.

Cấu tạo. 4

1.1.3.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 5

1.1.4.

Phương trình đặc tính cơ. 6

1.2.

Điều áp xoay chiều 3 pha 8

CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC. 11

2.1.Sơ đồ mạch lực. 11

2.2.Tính toán chọn van mạch lực. 11

2.3
.
Tính chọn phần tử bảo vệ van. 12

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 13

3.1. Xây dựng đặc tính khởi động của động cơ. 13

3.2. Khởi động trực tiếp động cơ với lưới 15

3.3. Khởi động mềm 16

3.3.1 Khởi động mềm điều khiển 2 cặp van 16

3.3.2. Khởi động mềm điều khiển 3 cặp van 19

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 2

ĐỀ BÀI:
Các số liệu ban đầu:
- Công suất động cơ (P
đc
) : 215 Hp
- Điện áp định mức (U
đm
) : 400 V
- Tần số định mức (f
đm
) : 50 Hz
- Tốc độ định mức (n) : 1487 vòng/ phút
- Hệ số công suất cosφ : 0.86


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 3

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện
tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều.Đặc biệt là các ứng dụng

của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được
phát triển hết sức mạnh mẽ.
Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công
nghiệp thì ngành điện tử công suất phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối
ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các
nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công
nghệ điều khiển tự động vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và
phương pháp điều khiển an toàn, chính xác.Đó là nhiệm vụ mà ngành điện tử
công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo và
đủ năng lực.Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai không xa sẽ đứng trong đội
ngũ này, do đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sau
rộng.Chính vì vậy, bài tập lớn môn học Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử
công suất là yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự động hóa. Đó là bài kiểm tra
khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện cho sinh viên
tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất.
Mặc dù vậy do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên vẫn cần đến sự giúp đỡ và
hướng dẫn của thầy giáo. Qua đây, em xin được gửi lời cám ơn đến thầy Vũ
Hoàng Phương đã tận tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành bài tập lớn này.

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014
Sinh viên
Lê Văn Thanh






Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 4

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ
ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU.
1.1. Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc.
1.1.1. Đại cương về động cơ không đồng bộ.
Động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng
và bảo quản thuận tiện nên được sử dụng rất rộng rãi.
Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có cấu tạo đơn giản nhất nên chiếm số
lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình. Nhược điểm của động
cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn, thường bằng 7-8
lần dòng điện định mức.







Hình 1.1.Động cơ không đồng ba pha bộ roto lồng sóc.
1.1.2. Cấu tạo.
 Phần tĩnh (stator).
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.






Hình 1.2. Cấu tạo của stato.

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 5

 Vỏ máy.
Vỏ máy thường được làm bằng gang, có tác dụng cố định lõi sắt và dây
quấn.
 Lõi sắt
Lõi sắt là phần dẫn từ. Do từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để
giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.
 Dây quấn.
Dây quấn stato được đặt vào rãnh của lõi thép và được cách điện với lõi sắt.
 Phần quay (roto).


Hình 1.3. Roto kiểu lồng sóc.
Roto lồng sóc được cấu tạo bởi các thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm và được
nối tắt ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ
Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn có các dòng
điện. Hệ thống dòng điện này tạo thành từ trường quay với tốc độ:
1 =
601


Trong đó: f1 là tần số của lưới điện.
P là số cặp cực.
Phần quay, nằm trên trục quay bao gồm lõi thép roto. Dây quấn roto bao gồm một số
thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ và nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Từ
trường quay của stato cảm ứng lên roto một sức điện động E, sự tác động tương hỗ

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 6

giữa các thanh dẫn mang dòng điện với từ trường quay tạo nên lực điện từ F
đt
tác
dụng lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.









Hình 1.4. nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB
Tốc độ roto n được gọi là tốc độ làm việc và luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ
trường n1. Do vậy, đặc trưng cho động cơ không đồng bộ bap ha là hệ số trượt
 =
1−
1

Trong đó:
s: hệ số trượt.
n1: tốc độ quay của từ trường.
n: tốc độ quay của roto.
Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoảng từ 0÷1.
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ.
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vào sơ đồ

thay thế với các giả thiết sau:
- Ba pha của động cơ là đối xứng.
- Các thông số của động cơ không đồng bộ không đổi.
- Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà
chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động cơ.


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 7










Hình 1.5. Sơ đồ thay thế.
Ta có phương trình momen.



Độ trượt tới hạn


Momen tới hạn

Từ các phương trình trên ta xây dựng lại được phương trình đặc tính cơ như sau:


Trong đó:
 =









Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 8








Hình 1.6. đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
1.2. Điều áp xoay chiều 3 pha.
Các bộ điều áp xoay chiều dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều bằng cách
thay đổi góc mở của các van. Để điều chỉnh điện áp ba pha, có thể sử dụng ba sơ đồ:
-Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các thyristor mắc ngược hoặc Triac để
thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở α, từ đó đổi được
giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải.

-Nối tam giác ba bộ điều áp một pha.
-Nối hỗn hợp ba thyristor và ba diode.
Nhưng phương pháp sử dụng cặp thyristor mắc song song ngược được dùng khá
phổ biến trong thực tế và ứng dụng nhiều trong các bộ khởi động mềm của động cơ
không đồng bộ.
 Hoạt động của mạch. (xét với tải thuần trở)
-Mạch hoạt động theo quy luật chung:
+Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn=>U
tải
=U
nguồn
.
+Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha không van nào dẫn
=> điện áp pha tải =1/2 điện áp dây của hai pha có van dẫn và có 1 pha không có điện
áp.
+Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn(U
tải
=0)
-Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α.Gồm 3 vùng
điều khiển:
 0
0
< α < 60
0
:


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 9

-Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau đó là 3 van dẫn -> 2 van dẫn.Giai

đoạn 3 van dẫn dài 60
0
÷ α, giai đoạn 2 van dẫn bằng chính α.
-Góc dẫn của van λ =(180
0
- α), van ngắt khi điện áp pha nguồn =0.










Hình 1.7. Dạng điện áp đầu ra trong trường hợp 0
0
< α < 60
0

 60
0
< α < 90
0
:
-Vùng điều khiển này luôn chỉ có 2 van dẫn và không phụ thuộc vào góc điều
khiển α.
-Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn ,van sau mở thì van trước
mới khóa lại. Lúc đó góc dẫn của van λ=120

0
.
-Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể = ½ điện áp
dây.













Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 10

Hình 1.8. Dạng điện áp đầu ra trong trường hợp 60
0
< α < 90
0

 90
0
< α < 150
0
:
-Trong vùng điều khiển này có 2 trạng thái thay thế nhau là 2 van dẫn và không van
nào dẫn.
-Van không dẫn lien tục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.
-Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0 V.










Hình 1.9. Dạng điện áp đầu ra trong trường hợp 90
0
< α < 120
0

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 11

CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.
2.1.Sơ đồ mạch lực.
Với thông số động cơ đã cho ở trên, ta chọn mạch động lực là bộ điều áp
xoay chiều 3 pha không có dây trung trính, gồm 6 tiristor đấu song song
ngược theo từng cặp.














Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực
2.2.Tính toán chọn van mạch lực.

Dòng điện hiệu dụng chạy trong mỗi pha

It =


√
.
j
.
h

thay số vào công thức trên ta được:
It =
160.10

√
3.380.0.86.0,9
= 314()



Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 12

 Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện.
Dòng điện trung bình chạy qua van là :
I
tbv
= 0.45 It= 0,45. 314 = 141 (A)
(theo trang 188- giáo trình hướng dẫn thiết kế ĐTCS- Phạm Quốc Hải)

Trong điều kiện làm việc có thời gian ngắn, và chế độ làm mát bằng không
khí nên ta lựa chọn hệ số dự trữ dòng điện cho van là Ki = 2
Từ đó, suy ra dòng điện trung bình lớn nhất van có thể chịu được là:

I
tbmax
= 2.141= 282 (A)
 Chọn van theo chỉ tiêu điện áp.
Điện áp ngược đặt lên van có giá trị lớn nhất là
U
ngmax
=
√
2. =
√
2.380=537()
Vậy cần chọn van tiristor chịu được điện áp khoảng:
U
vmax
= Ku. U
ngmax
= 1,8. 537 = 967 (V)
(Ku=1.8 : hệ số dự trữ điện áp)
Từ các số liệu tính toán ở trên, ta chọn được van Tiristor : T14-320 do Nga sản xuất
có các thông số như sau:
U
ngmax
=1000 V; I
tbmax
= 320A; I
picmax
= 7000 A; U=1.6V; I
ro
=25mA; U

dk
=3.5V; I
dk
=
200mA. (theo bảng 2.2.1-trang 443 hướng dẫn thiết kế ĐTCS- Phạm Quốc Hải

).
2.3 . Tính chọn phần tử bảo vệ van.
Van làm việc thường chịu ảnh hưởng của các xung dòng điện từ lưới và xung áp
cao trong qua trình chuyển mạch giữa các van. Từ đó, ta thêm vào mạch 2 thành
phần điện trở và tụ điện đấu song song với van nhằm mục đích bảo vệ.
Mạch RC bảo vệ: R= (5÷30), C= (0.5÷4)uF => chọn R= 20, C= 4uF.







Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 13

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG
3.1. Xây dựng đặc tính khởi động của động cơ.
Thông số.Động cơ 3 pha không đồng bộ P=160KW, điện áp U=400V, tần số f=50hz,
tốc độ định mức nđm=1487(V/ phút). p=2
f =
Pn
60
 n
0

=
60f
P
= 1500(V/ phút).
s
đm
=
n
o
- n
đm
n
o
= 0,0087.
Điện trở Stato: R₁=13.79mΩ , Điện cảm L₁=0.152mH.
Điện trở Roto: R₂’=7.728mΩ, điện cảm L₂’=0.152mH.
Lm=7.69mH
X
nm
=(L
1
+L
2
).2.f=2×0.152×2×50=95.5mΩ
 Các thông số định mức
M
đm
= 9550
P
đm

n
đm
= 9550


=1027.57 N.m
w
đm
=
đ
.
=

.
=155.71 rad/s
S
th
=
₂


=
.
.

=0.08 M
th
=
²
w

=


.²
×.×.
.1000=60630 N.m
M
kđ
=
2M
t

s
t
1
+
1
s
t
=
.
.

.
= 9639N.m
 Trường hợp với góc mở ∝≠0.
- ∝=45=


(0°<∝<60°)

U
1f
=

U
f


1−
∝

+


sin2

=

220

1−


.

+


sin2.



=204.47 V
M
th1
= M
th
(


)²=

60630

(
.

)² =

52372 N.m

M
kđ1
= M
kđ
(


)²=

9639

(
.

)² =8326 N.m
- ∝=75
0
=


(60°<∝<90°)


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 14

U
2f
=

U
f




+

√



=

220



+




√




= 155.56 (V)
M
th2
= M
th
(


)²=

60630

(

.

)² =

30314 N.m

M
kđ2
= M
kđ
(


)²=

9639

(
.

)² =4819 N.m








Hình 3.1. Đặc tính khởi động của động cơ.

Hình 3.2. Các cấp khởi động dựa theo dòng điện Imax


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 15

Với động cơ 215Hp (160kW), khởi động mềm với phụ tải bơm hay quạt gió.
Đặc tính cơ của loại phụ tải này biểu diễn dưới biểu thức tổng sau:
 =+(−)






Từ phương trình trên, trong mô phỏng ta lấy Mc =






Mdm đặt vào động cơ
3.2. Khởi động trực tiếp động cơ với lưới
Khi khởi động trực tiếp với lưới ta thu được đồ thị dòng điện khởi động như hình sau:

Hình 3.3. Dòng điện khởi động tức thời
[1]

Hình 3.4. Dòng điện hiệu dụng tương ứng.



Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 16

Ta có nhận xét dòng điện khởi động khá lớn, dòng điện đỉnh 4800A, giá trị hiệu
dụng tầm 3000A gấp gần 10 lần dòng điện định mức (Idm = 314A).
3.3. Khởi động mềm
 Đặc tính điều chỉnh điện áp điều khiển trong khởi động mềm

Hình 3.5. Đặc tính điều chỉnh điện áp
Dựa vào hình trên để khởi động mềm cho động cơ ta tăng điện áp đặt vào động cơ theo
từng nấc nhỏ để được một dải dốc như trên. Do động cơ có công suất lớn nên điện áp
ban đầu đặt vào động cơ bằng khoảng 60% giá trị đinh mức.
3.3.1 Khởi động mềm điều khiển 2 cặp van.








Hình 3.6. Sơ đồ mạch khởi động không đối xứng
Theo phương pháp tài liệu [3], để ổn định dòng điện khi khởi động ta sẽ dùng bộ PI.


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 17








Hình 3.7. Sơ đồ các vòng điều khiển của động cơ khi khởi động mềm
Theo đó ta có mô hình sau điều khiển sau:

Với các hàm truyền của động cơ

[3]
:
Đối với mô hình đóng cắt ta có xấp xỉ
[3]
: V
rms
= f() , với  là góc mở thyristor
Còn với các bộ điều khiển PI được tổng hợp sao cho hệ kín có độ dự trữ pha 120
o

với tần số cắt fc =500Hz . Với các công thức trong tài liệu
[3]
kết hợp với thông số
của động cơ, từ đó ta thu được các thông số Kp_V, Ki_V, Kp_I, Ki_I như sau:
Kp_V = 0.0009
Ki_V = 5.0731
Kp_I = 0.0018
Ki_I = 0.0808


Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 18


Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng trong matlab
[1]

Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển xung đóng cắt van trong mô phỏng matlab
[1]

Kết quả thu được:

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 19


Hình 3.10. Dạng dòng điện hiệu dụng khi khởi động
[1]

Nhận xét:
Ta thấy dòng điện khởi động đã nhỏ hơn so với khởi động trực tiếp
Nhược điểm: thời gian đầu dòng điện vẫn lớn, chưa được khống chế, dòng điện giữa 3
pha không cân bằng khi khởi động.
3.3.2. Khởi động mềm điều khiển 3 cặp van
Giới hạn dòng điện I <= 3Idm ( 3Idm ≈ 1030A)
Với ý tưởng, khi I
rms
<= 3I
dm
giữ U
dk
sao cho khi I
rms
<= 3I
dm
, lại tăng U
dk
.
Ta có U
x
= 60%Udm= 132 (V)

U
x
=0


=> Cosa = 2


- 1
Từ đây ta thấy nếu U
x
= U
0
thì a = 0
Vậy với Ux=132V thì ta có a= 78
0
.
Mặt khác, sử dụng điện áp tựa răng cưa sườn lên nên ta có
a
p
=

,

Từ đó ta có Udk =
a
p
Uc,m =
,
p

p
10 = 4.3V và sẽ giảm dần theo thời gian khởi động.



Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 20

Một số vấn đề:
Vì I
rms
đo được khá mấp mô, do điện áp, dòng điện không phải hình sin khó có thể thực
hiện được và nếu sử dụng khâu lọc thông thấp để được I
rms
phẳng hơn, nhưng bên cạnh
đó vì động cơ lớn lên quán tính lớn thời gian đợi dài ra, mà thời gian khởi động lại
không cho phép
Suy ra, tùy vào động cơ ta sẽ giới hạn các I
rms
max khác nhau trong những khoảng thời
gian khác nhau để thời gian khởi động phù hợp.
Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng trong matlab
[2]

Chi tiết cụ thể các khối có thể xem trong file mô phỏng
[2]

Kết quả mô phỏng

Hình 3.12. Dạng dòng điện hiệu dụng khi khởi động
[2]

Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 21

Nhận xét:
Với momen tải Mc=60%Mdm thì ta đã khống chế tương đối được dòng điện khởi động
dưới mức giới hạn ( 3Idm).
Nhìn vào hình ta thấy dòng điện đã được khống chế tốt hơn so với phương pháp trên
(tuy chưa đạt được yêu cầu tốt nhất) .
Nhược điểm:
Việc khống chế dòng điện trong giai đoạn đầu còn gặp nhiều khó khăn.

File mô phỏng:
[1] SoftStart2Thy.mdl
[2] SoftStart3Thy.mdl



Lê Văn Thanh- ĐK&TĐH3-K56 22

KẾT LUẬN
Sau quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn của thầy Vũ
Hoàng Phương, em cơ bản đã hoàn thành được bài tập lớn môn học “Thiết kế
hệ thống điều khiển điện tử công suất ”
-Tìm hiểu công nghệ và yêu cầu đối với việc khởi động động cơ.
-Áp dụng được kiến thức đã được giảng dạy để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch
động lực và mạch điều khiển hệ thống.
-Áp dụng bài học vào việc tính toán và chọn linh kiện cho việc thiết kế.
Tuy vậy, do kinh nghiệm của nhóm chưa được nhiều nên chắc chắn sẽ có nhiều

thiếu sót trong thiết kế. Em mong rằng sẽ nhận được sự góp ý của thầy và các
bạn để đồ án có thể hoàn thiện hơn và bản thân mỗi cá nhân trong nhóm cũng có
them kinh nghiệm trong thiết kế.




TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Quốc Hải- Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất.
[2]. Florin Iov, Anca Daniela Hansen, Poul Sorensen , Frede Blaabjerg - Wind
Turbine Blockset in Matlab Simulink.
[3]. Jose de Oliveira, Ademir Nied, Mario Henrique Farias Santos and Rogerio
Pinho Dias – Study on the Energy Efficiency of Soft Starting of an Induction
Motor with Torque Control.
[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn- Cơ sở truyền động điện