Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Đề tài : số33
ThiÕt kÕ bé biÕn tÇn ®iÒu khiÓn ®éng c¬ xoay chiÒu 3 pha sö dông IGBT.tham
sè ®éng c¬ U= 380VAC , P=10kw, f=0- 120Hz, cosϕ=0.82
§iÒu khiÓn theo luËt U/f
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát
triển mạnh mẽ.
Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kĩ thuật điện tử tin học nói riêng đã
khai thác tất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ và
động cơ một chiều.
Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển
động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.
“Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”
Nội dung các chương mục như sau :
Chương 1 : Tổng quan về công nghệ.
Giới thiệu về động cơ không đồng bộ, các hệ thống biến tần.
Chương 2 : Tính chọn mạch công suất.
Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị
cũng như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.
Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển .
Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch
Chương 4 : Kết qủa
Ứng dụng bằng phần mềm để mô phỏng hệ thống và hiện thực hoá nó
trên phần cứng
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo
trong thời gian làm đề tài.
Hải Phòng , Ngày Tháng Năm 2008
- 1 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Mục Lục

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ
§1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ
Cấu tạo
Đặc điểm
Nguyên lí họat động
Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản
§2. Tổng quan về các hệ thống biến tần
Khái niệm
Phân loại.
Biến tần nguồn áp.
Biến tần gián tiếp nguồn áp
§3. Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT
Cấu tạo
Nguyên lí hoạt động
Chế độ đóng ngắt.
Vùng làm việc an toàn
Bảo vệ
§4. Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển.
Nhắc lại về phương pháp biến tần cổ điển.
Biến tần đa bậc
Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM
Phương pháp véc tơ không gian SVM
- 2 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Chương 2:Tính chọn mạch công suất (mạch động lực)
§1. Lựa chọn mạch công suất phù hợp.
§2. Mạch nghịch lưu .
Tính chọn các Van IGBT.
Tính chọn Điôde.
Tính chọn tụ C.

§3. Mạch lọc.
Một số mạch Lọc đã biết.
Tính chọn mạch lọc.
§4. Mạch chỉnh lưu.
Tính chọn DIODE
Tính chọn máy biến áp
Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển
§1. Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết.
Mạch lái
Mạch cách ly
Mạch giao tiếp với máy tính
Mạch điều khiển
§2.Tính toán phần cứng khâu điều khiển.
§3.Lập trình phần mềm cho khối điều khiển.
Chương 4: Kết qủa
§1. Ghép nối thàn sơ đồ hoàn chỉnh
§2. Mô phỏng bằng phần mềm
§3. Phần cứng
- 3 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
§1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ
A. Cấu tạo.
a. Phần tĩnh (Stato)
Vỏ máy : Thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn
(1000 kW), Thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác
dụng cố định và bảo vệ, không dùng để dẫn từ.
Lõi sắt : Được làm bằng thép lá kĩ thuật điện dày : 0.35mm đến 0.5
mm ghép lại. Vì lõi sắt là phân từ, đồng thời từ trường đi qua lõi
sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy

gây nên mỗi lá thép kĩ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện.
Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn : Được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với
lõi sắt. Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120º
điện.
b. Phần quay (Rôto)
Trục : làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt rô to.
Lõi sắt : gồm các lá thép kĩ thuật điện giống như ở phần stato. Lõi
sắt được ép trực tiếp lên trục. Bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây
quấn.
- 4 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Dây quấn Rô to: Gồm hai loại
Rô to kiểu dây quấn:
Rô to kiều lồng sóc :
c. Khe hở : của động cơ đồng bộ rất nhỏ (0.2mm đến 1mm). Do dó
rôto là một khối tròn nên rô to rất đều.
B. Đặc điểm
Cấu tạo đơn giản
Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha.
Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của
stato n < n1 .
Trong đó :
N : tốc độ quay của rô to
N1: tốc độ quay của từ trường quay
C. Nguyên lí làm việc.
Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong
động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các
thanh dẫn rôto, làm cảm ứng trên dây quấn rôto một sức điện động e2,
từ đó sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn rô to.

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện
từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rô to quay với tốc độ n
theo chiều quay của từ trường.
Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay
Stato n1. Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay
stato duy trì được dòng điện i2 và môment. Vì tốc độ của rôto khác với
tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ
D. Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản
a. Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to
n và tốc độ quay của từ trường quay n1.
- 5 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
1
1
n n
s
n
−
=

0 1s≤ ≤
60* 1
1
f
p
n =
1*(1 )n n s= −
b. Sức điện động
Khi rôto đứng yên :
20 20 2 2

4.44* * * *
m
f K WE = Φ
Khi rôto chuyển động :
2 2 2 2
4.44* * * *
m
s s
f K WE = Φ
Trong đó :
K2 : Hệ số cuốn dây
f20 = f1
f2s = s * f1
W2 : số vòng dây
Φm : Từ thông
c. Công suất
Công suất điên đưa vào :
* * *cos
1 3
U I
P
ϕ
=
Tổn hao điện từ :
dt
P
∆
Tổn hao sắt :
st
P∆

Công suất điện từ :
2 * 1
* 1 *
60
dt
n
M MP
π
ω
= =
= P1 -
dt
P
∆
-
st
P∆
Tổn hao do dây quân rô to :
2d
P∆
Công suất cơ ở trục :
'2 *P M
ω
=
=
dt
P
-
2d
P∆

Tổn hao do ma sát :
ms
P∆
Công suất cơ đưa ra :P2 = P’2 -
ms
P∆
P2 = 1P -
dt
P
∆
-
st
P∆
-
2d
P∆
-
2d
P∆
-
ms
P∆
Hiệu suất :
1
2
P
P
η
=
(0.8, 0.9)

- 6 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
d. Các phương trình cơ bản
Phương trình đặc tính cơ điện
'
1 1 2
2 2 '
2 2
2
1
1 1
*
( )
nm
I U I I
R X R
R X
s
µ
µ µ
 
 
 
 
 
 
 
= + = +
+
+ +

1
2 2
'
1
2
'
2 2
2
1
( )
nm
U
I
R X
U
I
R
R X
s
µ
µ µ
=
+
=
+ +
Với :
1 2
X X X
µ
σ σ

= +
Phương trình đặc tính cơ
'2 '
1 2
'
2 2
2
1 1
2
1
2
1
' '
2 2
2
2 2
1
1
'
2
3* *
2* *(1 ) 2*
2*
* * ( )
3*
2* 1*( 1 )
0
f
th th
th th

nm
th th
f
th
nm
nm
nm
U R
M M
S S
S S
R
S R X
S S S S
s
U
R R X
R R
Sth
X
R X
R
R
M
M
ε
ε
ω
ω
ε

+
= ≈
 
+ + +
+ +
 
 
=
+ +
= ± ≈
+
≈
=
=

e. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:
- 7 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Ảnh hưởng của điện áp lưới
Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp
Hê số trượt vẫn không thay đổi
Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato
Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng
Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng
Ảnh hưởng của số đôi cực p.
Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn
đến tốc độ cũng thay đổi
Ảnh hưởng tần số.
Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi.
'

2
max max
1
max
2 '
1
'
'2 2
'
max
1 1
2 '2
max 1 1
*
*
*
M M
U
C const
f M M
M
U f
M
const
M M U f
M = = ⇒ =
= = =
' '
'
1 1

1 1
*
U f
M
U f M
=
Luật điều khiển giữ cho Môment không đổi : M=const
' '
1 1
1 1
1
1
U f
U f
U
const
f
=
=
Luật điều khirn giữ cho công suất không đổi :P=const
' '
1
1
' '
1 1
1 1
M f
M f
U f
U f

=
=
- 8 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
§2. Tổng quan về các hệ thống biến tần
A. Khái niệm.
Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng
biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành
dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử
B. Phân loại
Biến tần trực tiếp:
Còn gọi là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu
điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm
chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải.
Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển
ngay ra tải với U2(f2)
Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp
chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm
việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1.
Ví dụ
- 9 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Biến tần gián tiếp:
Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp
được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại
dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình
thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1).
Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần
Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên
ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử

dụng nó hơn.
Ví dụ :
- 10 -
o
o
o
a
b
c
CK
CK
CK
CK
CKck
ÑKB
U
2
f
2
T
A
N
A
T
B
N
B
T
C
N

C
~ U
1
, f
1
A B C
•
•
•
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
C. Phân loại biến tần gián tiếp
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại
Biến tần gián tiếp nguồn áp :
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn
dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng
điện của nguồn, còn dạng điện áp trên tải phụ thuộc và các
thông số của tải quy định.
Biến tần gián tiếp nguồn dòng :
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp,
dạng của điện áp trên tải phụ thuộc và dạng của điện áp của
nguồn, còn dạng dòng điện trên tải phụ thuộc và các thông số
của tải quy định
So sánh hai loại biến tần:
Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng
một nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do
chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở
mức cực đại. Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây
- 11 -
D 9
o

o
o
T7
T9
T11
T10
T12
T8
T4
T6
T8
T1 T3 T5
D1
D3 D5
D4
D6 D2
D7
D11
D10
D12
D8
Co
C1 C3
C5
C4
C2
C6
L2
L1
Lo

ÑKB
U
2
, f
2
~
U
1
, f
1
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn. Do đó có thể xem
biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp.
Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ
trả năng lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm
việc hãm tái sinh. Với bộ biến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh
muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu điều
khiển hoàn toàn.
Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến
tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng
bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi
đó.
Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn
trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng
quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp kiểu
PWM.
Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kĩ thuật PWM để
điều khiển đóng ngắt các khoá bán dẫn. Kĩ thuật PWM cho
phép giảm tổn thất do sóng hài bậc cao gây nên trên động cơ,
không gây ra môment đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp. Tuy

nhiên, kĩ thuật điều chế kiểu PWM khó áp dụng cho biến tần
nguồn dòng, nếu có cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động
thấp.
Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ
gọn và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng
kềnh do phải sử dụng cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch
có giá trị cao.
Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của
biến tần nguồn áp.
D. Cấu trúc của bộ biến tần nguồn áp
Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp
sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.
- 12 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt.
a. Phần động lực:
Bộ phận chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có
tần số f1 thành dòng điện một chiều.
Bộ lọc : cho phép thành phân một chiều của mạch động lực đi
qua và ngăn chặn các thành phân xoay chiều. Nó có tác dụng
san bằng điện áp tải khi chỉnh lưu.
Bộ nghịch lưu:Là bộ phận rất quan trọng của bộ biến tần, nó
biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu
thành dòng điện xoay chiều có tần số f2.
b. Phần điều khiển
Là bộ phận không thể thiếu quyết định sự làm việc của mạch
động lực, để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra
của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định.
Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần
Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều

khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng
trazitor. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng,
ngoài ra còn có thể đảm nhận chức năng khuếch đại xung.
Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều
khiển vào khâu phát xung chủ đạo
Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận
được từ bộ phân phân xung đưa đến đảm bảo kích thích mở
van:
Ngày nay với sự phát triển của kĩ thuật vi điều khiển. Cấu trúc
bộ điều khiển đã có sự thay đổi. Điều này sẽ đượ nói kĩ ở phần
sau
§3. Phẩn tử bán dẫn công suất lớn IGBT.
A. Giới thiệu.
Transistor có cực điều khiển cách ly(Insulated Gate Bipolar
Transistor),hay IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được
phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982.IGBT
- 13 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải
lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển
bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
B. Cấu tạo nguyên lý hoạt dộng
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là
có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa
emiter( tương tự cực gốc) với collector(tuơng tự với cực máng), mà
không phải là n-n như ở MOSFET . Vì thế có thể coi IGBT tương
đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một
MOSFET.
Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang
điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc

MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp
giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường,tạo
nên dòng Collector.
C. Quá trình đóng cắt
Do có cấu trúc đặc thù mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn
ở dòng IGBT thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng do cấu trúc
này mà thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc
biệt là khi khoá lại.
- 14 -
esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn
D. Vùng làm việc an toàn
Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa
điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được
trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa, cũng như trong các quá trình đóng
cắt. SOA của IGBT được biểu diễn ở hình bên.
Ở hình đầu tiên biểu diễn khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor
là dương và hình thư hai thì điện áp này là âm. Khi điện áp điều khiển
dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên
phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này có nghĩa
là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì
khả năng đóng cắt công suất càng suy giảm. Khi đặt điện áp điều khiển
- 15 -