Thiết kế biến tần ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi
cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ tự động hóa đã
mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng suất, giảm nhân công lao động,
hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải
làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy tự động hóa đóng
vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống, cũng như trong công nghiệp.
Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một
tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải
công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ
điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ
một chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công
suất như: Điôt, Tranzitor, Thyristor, IGBT… thì các hệ truyền động có điều
chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí
nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ
sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em
được làm đồ án môn học điện tử công suất.
Nội dung đồ án này là ‘Thiết kế bộ biến tần điều khiển theo nguyên tắc
PWM điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc’. Từ
cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng
tần số và qua đó tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như
đánh giá các phương pháp điều khiển.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã
tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đồ án
môn học này.

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Đoàn Quang
Vinh đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ
em hoàn thành tốt đồ án môn học này.
Đà Nẵng, ngày 23 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện

VÕ XUÂN THỦY
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 1


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

MỤC LỤC
Lời nói đầu...........................................................................................................1
MỤC LỤC ...........................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG
BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ................................5
1.1. Tổng quan về máy điện không đồng bộ.....................................................5
1.1.1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ....................................................5
1.1.1.1. Stator..............................................................................................5
1.1.1.1. Rotor..............................................................................................5
1.1.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ...............................6
1.1.2.1. Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ n < n1.................6
1.1.2.2. Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ n > n1.................6
1.1.2.3. Rotor quay ngược chiều từ trường quay tức tốc độ n<0.................6
1.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện...............................................................7

1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ...........................................................7
1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực từ..................................8
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn điện............................8
1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor ........................9
1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện....................10
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN...................................................14
2.1. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển...............................................14
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý.................................................................................14
2.1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động...........................................................15
2.1.2.1. Nhóm Anode................................................................................15
2.1.2.2. Nhóm Cathode.............................................................................16
2.1.2.3. Tổng hợp kết quả phân tích..........................................................18
2.2. Mạch lọc..................................................................................................20
2.3. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM.....................20
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý..................................................................................21
2.3.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................21
2.3.2.1. Tỉ số điều biến m.....................................................................21
2.3.2.2. Tỉ số điều biến tần số mf................................................................22
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 2


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

2.3.2.3. Tỉ số điều biến biên độ ma.............................................................22
CHƯƠNG 3: TÍNH MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN..........24
3.1. Tính mạch động lực..................................................................................24

3.1.1. Tính mạch nghịch lưu........................................................................24
3.1.1.1. Chọn van bán dẫn........................................................................25
3.1.1.2. Tính chọn van IGBT....................................................................25
3.1.1.2.1. Chọn tỉ số điều biến biên độ .................................................25
3.1.1.2.2. Chọn tỉ số điều biến tần số ....................................................26
3.1.1.2.3. Tính các thông số IGBT .......................................................27
3.1.2. Tính mạch chỉnh lưu cầu ba pha........................................................28
3.1.3. Tính chọn máy biến áp......................................................................29
3.1.3.1. Tính sơ bộ kích thước mạch từ.....................................................30
3.1.3.2. Tính toán dây quấn.......................................................................31
3.1.3.3. Kết cấu dây quấn..........................................................................32
3.1.3.4. Kết cấu dây quấn thứ cấp.............................................................33
3.2. Mạch điều khiển.......................................................................................34
3.2.1. Mạch phát dạng sóng sin và sóng vuông............................................34
3.2.2. Mạch lọc.............................................................................................35
3.2.3. Mạch tạo sóng sin ba pha....................................................................36
3.2.4. Mạch tạo sóng tam giác......................................................................38
3.2.5. Mạch só sánh......................................................................................39
CHƯƠNG 4: TÍNH MẠCH LỌC VÀ MẠCH BẢO VỆ................................40
4.1. Tính toán mạch lọc...................................................................................40
4.2. Tính chọn mạch bảo vệ............................................................................41
4.2.1. Bảo vệ quá áp.....................................................................................41
4.2.1.1. Bảo vệ quá áp trong...................................................................41
4.2.1.2. Bảo vệ quá áp ngoài...................................................................42
4.2.2. Bảo vệ quá dòng điện.........................................................................43
4.2.3. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn...........................................44
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK...46
5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống.................................................................46
5.2. Các thông số mô phỏng.............................................................................47
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 3


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

5.2. Kết quả mô phỏng.....................................................................................49
KẾT LUẬN .......................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................54
PHỤ LỤC ..........................................................................................................55
Phụ lục 1..............................................................................................................
Phụ lục 2..............................................................................................................
Phụ lục 3.............................................................................................................

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHACÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ.
1.1. Tổng quan về máy điện không đồng bộ.
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 4


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

1.1.1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ.
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chủ yếu là stator và
rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy. Trục làm bằng thép, trên đó

gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc trục.
1.1.1.1. Stator(sơ cấp hay phần ứng)

Lõi thép stator là phần dẫn từ, có dạng hình trụ, được làm bằng các lá thép kỹ
thuật điện để giảm tổn hao vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay. Phía
trong lõi thép được dập rãnh rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo
hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
Dây quấn sator được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các
rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi sắt. Dòng điện xoay chiều ba pha
trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.
Vỏ máy gồm có thân và nắp thường làm bằng gang.
1.1.1.2. Rotor (thứ cấp hay phần quay).
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
+ Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên
trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài lõi thép dập rãnh để đặt dây quấn, ở
giữa có dập lỗ để lắp trục.
+Dây quấn: Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn
mạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn
Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị
ngắn mạch bởi 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 nhiệt và quạt
làm mát. Các động cơ động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng
được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch.
Rotor dây quấn cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số
cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao và có ba đầu
ra đấu vào ba vành trượt. Vành trượt gắn vào trục quay của rotor và cách điện
với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào
một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc
độ.
1.1.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ.

Khi có hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha, tần số f 1, chảy trong dây quấn
stator, hệ thống dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n 1 =60f1/p. Từ
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 5


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong đó các suất
điện động E2. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng E 2
sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn rotor. Từ thông dò 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 I 2 tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment. Tác dụng
đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor.
Hệ số trượt s của máy: Sự khác nhau giữa tốc độ từ trường quay n 1 và tốc độ
của rotor n được gọi là tốc độ trượt n 2 và tỉ số của tốc độ trượt trên tốc độ đồng
bộ gọi là hệ số trượt s. Các biểu thức tương ứng là:
n2=n1-n; s=(n1-n)/n
Như vậy khi tốc độ của rotor bằng tốc độ từ trường quay n=n 1 thì hệ số trượt
s=0, còn n=0 thì s=1; khi n>n 1, s<0 và khi rotor quay ngược chiều từ trường
quay n<0 thì s>1.
1.1.2.1. Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ nLực F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua
từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từ
trường quay với tốc độ n, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện.
1.1.2.2. Rotor quay cùng chiều từ trường quay nhưng có tốc độ n>n1 (s<0).
Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt trước tốc

độ đồng bộ, n>n1. Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây dây quấn rotor sẽ
ngược lại, suất điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên
chiều của moment hãm. Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động
cơ, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máy
điện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện.
1.1.2.3. Rotor quay ngược chiều từ trường quay tức tốc độ n<0 (s<1).
Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy quay ngược chiều từ trường quay,
lúc này chiều suất điện động, dòng điện và moment giống như ở chế độ động
cơ. Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor
lại. Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vào, vừa lấy cơ
năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ.
1.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện.
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ n=f(M 2) hoặc M2=f(n). Mà ta có
M=M0+M2, ở đây ta xem M0=0 hoặc chuyển M0 về moment cản tĩnh Mc , vì vậy
M2=M=f(n).
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 6


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

M
R2

R2 + Rp1

R2+Rp1+Rp2

Mmax
a
b

Mc

0

sm

1

s

Hình 1.1: Đặc tính cơ của động cơ điện với theo quan hệ M = f(n).
Nhận xét:

+Đoạn 0-a (0+Đoạn a-b: Động cơ làm việc không ổn định.

U1 < U2

n1
nm

Mc
M
Mmax

Hình 1.2 Đặc tính cơ theo quan hệ n=f(M)
1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ.
Người ta đã nghiên cứu nhiều việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ,
nhưng nhìn chung thì các phương pháp này đểu có những ưu nhược điểm của nó
và chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi điều chỉnh, năng lượng
tiêu thụ, độ trơn điều chỉnh, thiết bị sử dụng. Mặc dầu việc điều chỉnh tốc độ
động cơ điện không đồng bộ còn một số khó khăn nhất định, nhưng trong những

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 7


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

trường hợp cụ thể nào đó thì phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp có được
thõa mãn được yêu cầu.
Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ được cho bởi công thức:

n = (1 − s )n1 = (1 − s )

60 f1
p

Nhìn vào biểu thức ta thấy: Muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ta
cần điều chỉnh:
Số đôi cực p
Tần số f1

Hệ số trượt s
Muốn thay đổi s ta cần điều chỉnh:
Thay đổi điện áp U1
Thay đổi điện trở mạch rotor
Nối cấp các động cơ.
1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực từ.
Số đôi cực của từ trường quay stator tùy thuộc vào cách đấu dây quấn stator.
Bằng cách đấu lại dây quấn, một động cơ hai cực (p=1) có thể thành bốn cực
(p=2). Động cơ không đồng bộ có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ
được là động cơ nhiều cấp tốc độ. Phương pháp này chỉ dùng cho loại động cơ
rotor lồng sóc.
Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ thay đổi không bằng phẳng.
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn điện.
Thay đổi điện áp nguồn bằng ba cặp thyristor đấu song song ngược như sơ đồ
hình 1.3 a. Ứng với góc mở khác nhau của thyristor, điện áp trung bình đặt vào
động cơ khác nhau, nói cách khác ta thay đổi được điện áp đặt vào động. Đây là
phương pháp đơn giản nhờ kỹ thuật điện tử phát triển.
Khi U1=xUđm (x<1) thì M=x2Mđm và n giảm từ na nb.
Hệ số trượt tới hạn không phụ thuộc vào điện áp đặt vào đặt vào dây quấn
stator U1. Nếu điện trở R’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượt
tới hạn sm sẽ không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với U12. Vậy họ đặc tính thay đổi
làm cho tốc độ thay đổi theo. Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải,
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 8


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ của động cơ gần như không
đổi.
1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor.

Hình 1.3: Điều chỉnh điện trở rotor để thay đổi tốc độ.
Thay đổi điện trở dây quấn rotor, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào
mạch rotor để điều chỉnh tốc độ động cơ rotor dây quấn như trên hình 1.3a.
Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến
trở khởi động. Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi
dùng biến trở điều chỉnh tốc độ trình bày trên hình 1.3b. Khi tăng điện trở, tốc
độ quay của động cơ giảm. Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên
hiệu suất động cơ giảm. Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được
điều chỉnh liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các
động cơ công suất cở trung bình. Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang
tải, còn khi máy không tải thay đổi biến trở lớn, tốc độ động cơ gần như không
đổi. Do tổn hao nên thay biến trở bằng bộ đóng cắt như trên hình 1.3c và có
phản hồi hình 1.3d.
Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch:
f =

1
1
=
t1 + t 2 T

1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện.
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 9

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Khi điều chỉnh tốc độ ta muốn khả năng quá tải là không đổi nên năng lực
quá tải của động cơ là:
M max M ,max
k=
=
M
M,

= const

(1)

Từ biểu thức :
M max

U 12
=C 2
f1

(2)

Từ (1) và (2) suy ra :
U '1
f'

= 1
U1
f1

M'
M

Với Mmax, M, U1 các mômen và điện áp khi f = f1đm
M’max, M’, U’1 các mômen và điện áp khi f = f’

≠

f1đm

⇒

Vậy khi điều chỉnh tần số ta phải đồng thời điều chỉnh điện áp để khả năng
quá tải là không đổi.
Nếu ta giảm f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ lớn lên do đó làm cho mạch
từ chóng bảo hoà và dòng điện từ hoá sẽ tăng lên làm cho các chỉ tiêu năng
lượng của động cơ giảm xuống.
Nếu tăng f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ giảm xuống nếu như lúc làm
việc mômen của phụ tải là không đổi thì dòng điện trong rôto sẽ tăng lên làm
cho rôto nóng lên và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống.
Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều ta sử dụng các bộ biến tần (trực tiếp
hay gián tiếp qua trung gian điện một chiều dùng nghịch lưu dòng hay áp). Bởi
ưu điểm của các bộ biến tần như sau:
- Với biến tần trực tiếp thì điện áp ra gần hình sin, hiệu suất cao và khả năng
hãm tái sinh động cơ điện. Nhưng mà có nhược điểm là mạch điều khiển phức
tạp và đắt mà tần số ra hạn chế khoảng từ 0 → f/3 nên chỉ thích hợp với truyền

động tốc độ thấp và công suất lớn ( ít phổ biến ).
- Với biến tần trung gian sử dụng bộ nghịch lưu dòng thì cho phép điều
chỉnh tần số từ 0→f dùng cho động cơ có công suất vài kW đến hàng ngàn kW.

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 10


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Bộ biến tần nghịch lưu áp thì cho phép điều chỉnh tần số từ 0→f và cho động cơ
dưới 100kW.
Tóm lại là nên thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn mà
tỷ số giữa điện áp và tần số của nguồn không đổi và điều chỉnh tần số bằng các
bộ biến tần gián tiếp.
Để tạo ra tần số biến đổi ta có thể dùng sơ đồ:

Chỉnh lưu
(AC-DC)

3 fa

Nghịch lưu
(DC-AC)

IM

Hình 1.4: Sơ đồ khối sử dụng biến tần gián tiếp để thay đổi tần số
Khi Mc=const:

U 1 , f1 ,
=
U1
f1
⇒

U1
=const
f1

Trường hợp Mc tỉ lệ nghịch với f1:
M,
f
U,
= 1, ⇒ 1 =
M
f1
U1
n

f1,
f1

Mc

f
giảm

M
O

Mmax

Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số.
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 11


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Trường hợp Mc tỉ lệ với bình phương tần số f1:

M,
f1 , 2
U1 ,
f1 , 2
=( ) ⇒
=( )
M
f1
U1
f1
Uđm là điện áp định mức, fđm tần số định mức và X20 là điện kháng khi rotor
đứng yên quy đổi về stator. Vậy với tần số f:

U =(

f
f dm
f

X 2, = (

ω1 = (

)U dm

f dm
f

) X 20 ,

)ω1dm

f dm

Đặc tính n=f(M) khi điều chỉnh U/f:
+ Với

ω1 < ω1dm

: U/f=const, Mmax=const và động cơ có thể truyền động cho tải

có Mc =const.
M

n
O

ω1< ω1đm
ω1đm

ω1đm

ω1> ω1đm

Hình 1.6: Đặc tính cơ khi điều chỉnh U/f.
+ Với ω1 > ω1đm, UĐộng cơ có thể truyền động cho tải có Pt=const.
Quy luật biến đổi điện áp theo tần số:
Với mong muốn khi điều chỉnh tốc độ của động cơ là khả năng quá tải không
đổi tức là ta cố gắng điều chỉnh sao cho tỉ số giữa mômen định mức của động cơ
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 12


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

và mômen phụ tải tĩnh là không đổi. Ứng với mỗi loại phụ tải tĩnh nhất định ta
được một quy luật biến đổi điện áp tương ứng.

Khi phụ tải tĩnh là không đổi thì :

U '1 f '1
U U'
=
⇒ 1 = 1 = const
U1
f1
f1 f '1

.

Với động cơ không đồng bộ ta có phương trình đặc tính cơ như sau :
M=

3U 2f R2
2


R2 
2
ω0  R1 +
+ X mm 
s ÷




Trong đó : R1 , R2 là điện trở dây quấn stato và rôto.
ωo là tốc độ đồng bộ của động cơ.
Xmm = x1 + x2 điện kháng ngắn mạch của một pha.

Khi thay đổi tần số với hệ số không đổi: k=f/fđm
Dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ rôto lồng sóc thường rất lớn thì chỉ
có thể giảm điện áp đặt vào stato thì mới có thể giảm được dòng điện mở máy.
Tuy nhiên với bộ biến tần sẽ cho phép ta mở máy ở những tần số nhỏ và tăng
dần tần số để đạt được tốc độ mong muốn.
Đặc tuyến cơ cho thấy nguồn có tần số nhỏ thì mômen mở máy lớn song tần
số mở máy cảm kháng lên rôto nhỏ nên dòng cảm ứng trong rôto gần trùng pha
với điện áp tạo nên momen mở máy lớn, hệ số công suất và biên độ dòng mở
máy nhỏ, đó là một chỉ số thuận lợi khi mở máy động cơ và đó thể hiện ưu điểm
của phương pháp điều chỉnh bằng bộ biến tần.

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 13


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

CHƯƠNG 2:

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN.

 Khái niệm: Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay
chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp và dòng điện có một tần
số khác ở đầu ra.
 Ứng dụng: Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động
cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của
lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên.

 Sơ đồ khối của bộ biến tần:

U1 f1

Chỉnh lưu cầu 3 pha

Mạch
lọc

Nghịch lưu PWM
U2 f2

Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ biến tần
gián
tiếp điều khiển theo nguyên tắc PWM
Mạch
điều
khiển

2.1. Bộ chỉnh cầu 3 pha không điều khiển.
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý (hình 2.2)

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 14


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Trang 15


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

u1

id

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

ud

Trang 16


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển
2.1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động.
Mạch chỉnh lưu cầu tách thành hai nhóm mạch tia ba pha:
+ Nhóm Anode (V1,V3,V5)
+ Nhóm Cathode (V4,V6,V2)

2.1.2.1. Nhóm Anode.

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 17


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

udA
u3

u2

u1

Z
Trang 18

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

V3

V1
V5


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia 3 pha nhóm Anode

θ1 < θ < θ 2

Nhịp
V3, V5 đóng.

: u1 có trị tức thời lớn nhất so với hai pha còn lại nên V1 mở,

uV1 =0; uV3 = u2 – u1; uV5 = u3 – u1
udA = u1; idA = iV1 ; iV3 = iV5 = 0.

θ2 < θ < θ3
Nhịp
: Điện áp chuyển mạch (u2 – u1) bắt đầu dương nên V3 mở. Do
đó tại nhịp này: V1,V5 đóng, V3 mở.
uV3 =0; uV1 = u1 – u2; uV5 = u3 – u2
udA = u2; idA = iV3 ; iV1 = iV5 = 0.
Nhịp

θ 3 < θ < θ4

: Điện áp (u2 – u1) bắt đầu âm

→

điện áp trên V3 phân cực

→
ngược nên V3 đóng. Điện áp chuyển mạch u3 – u1 bắt đầu dương
V5 mở. Do
đó trong nhịp này V1, V3 đóng, V5 mở
uV5 =0; uV1 = u1 – u3; uV3 = u2 – u3
udA = u3; idA = iV5 ; iV1 = iV3 = 0.

Hình 2.4 : Dạng sóng điện áp chỉnh lưu của nhóm Anode
2.1.2.2.Nhóm Cathode.

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 19


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

udK
u3

u2

u1

V6

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 20


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tia nhóm Cathode
Tương tự ta cũng phân tích cho nhóm (V4 V6 V2):

Nhịp
đóng.

π
7π
<θ <
2
6

: Điện áp u3 nhỏ nhất so với 2 pha còn lại nên V2 mở. V4, V6

uV2 =0; uV4 = u3 – u1; uV6 = u3 – u2
udk = u3; idk = iV2 ; iV4 = iV6 = 0.

7π
11π
<θ <
6
6

Nhịp
: Điện áp chuyển mạch (u3 – u1) bắt đầu dương
rơi trên V4 phân cực thuận nên V4 mở, V6, V2 đóng.

→

Điện áp

uV4 =0; uV2 = u1 – u3; uV6 = u1 – u2
udk = u1; idk = iV4 ; iV2 = iV6 = 0.

11π
5π
<θ <
6
2

→
Nhịp
: Điện áp u3 – u1 bắt đầu âm
Điện áp trên V4 phân cực
ngược nên V4 đóng. Điện áp chuyển mạch (u 1 – u2) bắt đầu dương nên V6 phân
→
cực thuận
V6 mở. Do đó trong nhịp này V6 mở, V4, V2 đóng.

uV6 =0; uV2 = u2 – u3; uV4 = u2 – u1
udK = u2; idk = iV6 ; iV2 = iV4 = 0.

Hình 2.6: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu nhóm Cathode

2.1.2.3. Tổng hợp kết quả phân tích.
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 21


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Dòng điện các pha:
i1 = iv1 – iv4
i2 = iv3 – iv5
i3 = iv5 – iv2
Điện áp chỉnh lưu:
ud =udA - udK
Ta có thể viết phương trình mô tả mạch ví dụ khi V1, V2 mở :
uV1 = 0; uV2 = 0; uv3 = u2 – u1 ; uV4 = u3 – u1; ud = u1 – u3

iv1

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 22


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

iv4

i1

Hình 2.7: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu ud và dòng điện i1=iv1-iv4

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:
U d = U dA − U dK = 2.34U

2.2. Mạch lọc.

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 23


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

U1
f1

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Id
Ud

L

C

Hình 2.8: Bộ lọc LC sau chỉnh lưu.
Bộ lọc LC cho phép thành phần một chiều của điện áp chỉnh lưu đi qua và lọc
thành phần sóng hài bậc cao. Do tích phóng năng lượng của L, C nên điện áp
bằng phẳng hơn.
+ Cuộn kháng có tác dụng lọc dòng điện chỉnh lưu.
+ Tụ có tác dụng lọc điện áp chỉnh lưu.
SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

Trang 24


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

2.3. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM.
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý.
Hình 2.9 mô tả mạch nguyên lý nghịch lưu ba pha PWM

Hình 2.9: Mạch nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM.
2.3.2. Nguyên lý làm việc.
Sóng điều khiển là u1, u2, u3 mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số
120o
sóng cơ bản của điện áp ngõ ra. Các sóng điều khiển lệch pha nhau
.
Sóng mang có dạng xung tam giác utri : Tần số sóng mang càng cao, lượng
sóng hài bậc cao bị khử bớt càng nhiều.
Biên độ của điện áp đầu ra được điều khiển bằng biên độ của sóng điều
khiển

ucontrol

.

Tần số cơ bản được điều khiển bằng biên độ sóng điều khiển

SVTH: VÕ XUÂN THỦY-LỚP 13DCLC

ucontrol

.

Trang 25