Đồ án dtcs - thiết kế bộ khởi động mềm

Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

LỜI NÓI 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 cơng
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 cơng nghiệp
thì ngành điện tử cơng suất phải ln nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc
biệt với chủ trương cơng 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 địi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an tồn, chính
xác. Đó là nhiệm vụ mà nghành 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 khơng xa sẽ đứng trong đội ngũ này,
do đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì
vậy, đồ án mơn học Điện tử cơng 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 gởi lời cảm ơn đến cô
Th.S Nguyễn Thị Điệp tận tình chỉ dẫn để chúng em có thể hồn thành đồ án.

1


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG ...........................................................................3
1.1. Giới thiệu về các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha ........ 3

1.2. Giới thiệu chung về điều áp xoay chiều ba pha ................................................. 12

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC .....................................25
2.1. Thiết kế mạch lực ............................................................................................... 25
2.2. Tính chọn van mạch lực ..................................................................................... 25
2.3. Tính chọn các phần tử bảo vệ ............................................................................ 27

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ..................................................30
3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển .................................................................. 30
3.2. Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển ............................................................ 30
3.3. Tính chọn các khâu trong mạch điều khiển ....................................................... 31

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ..........................................................40
4.1. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển............................................................... 40
4.2. Mô phỏng bằng phần mềm Psim........................................................................ 42
4.3. Kiểm chứng đồ thị trong một số trường hợp...................................................... 45
KẾT LUẬN ..................................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................49

2


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu về các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.1. Động cơ không đồng bộ ba pha

a. Khái niệm chung
-

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ có tốc độ của rotor n khác với tốc độ quay từ trường.

-

Cũng như các máy điện khác, máy điện khơng đồng bộ ba pha có tính thuận

-

nghịch, có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản suất và sinh hoạt vì chế
tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như
khơng cần bảo trì. Dải cơng suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000HP. Các động
cơ từ 5HP trở lên hầu hết là 3 pha còn nhỏ hơn 1HP thường là động cơ một pha.

b. Cấu tạo
-

Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai
phần: Phần tĩnh hay còn gọi là stator, phần quay hay con gọi là rotor.

 Phần tĩnh – Stator
- Cấu tạo stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cịn có vỏ
máy và nắp máy được biểu diễn trên hình 1.1.

Hình 1.1 Cấu tạo Stator của máy điện không đông bộ ba pha
 Lõi thép

- Lõi thép là phần tử dẫn từ, được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện dày
0,35 ÷ 0,5mm, bề mặt có phủ sơn cách điện để chống tổn hao do dịng điện xốy.
- Khi đường kính máy nhỏ, các lá thép được dập theo hình trịn như hình 1.2a. Khi

-

đường kính ngồi lõi thép lơn hơn (trên 990mm) các lá thép được dập thành hình
rẻ quạt như hình 1.2b.
Các lá thép ghép lại với nhau rồi ép chặt tạo thành hình trụ rỗng, bên trong hình
thành các rãnh để đặt dây quấn như hình 1.2c.
Nếu lõi thép dài quá thì các lá thép được ghép thành từng thếp dày 6 ÷ 8cm, các
thếp đặt cách nhau 1cm để tạo đường thơng gió hướng tâm.
3


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

a) Hình vành khăn;
-

b)Hình rẻ quạt;
Hình 1.2 Lõi thép stator

c) Mạch từ stato.

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn
dịng điện xốy gây nên. Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối, nếu
lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6cm đến 8cm
đặt cách nhau 1cm để thơng gió cho tốt. Mặt trong của lá thép có sẻ rãnh để đặt
dây quấn.

 Dây quấn
- Là phần dẫn điện, được làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
- Dây quấn stato của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm ba dây quấn pha đặt lệch
-

nhau trong khơng gian 1 góc 120º.
Mỗi pha gồm nhiều bối dây, mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây.
Các bối dây được đặt vào rãnh của lõi thép stato và được nối với nhau theo 1 quy
luật nhất định.

 Vỏ máy
- Gồm: Thân máy, nắp máy, chân đế.
- Vỏ dùng để cố định lõi thép và dây quấn, đồng thời bảo vệ an tồn cho người
khỏi chạm vào dây quấn.
- Vỏ khơng làm nhiệm vụ dẫn từ, thường đúc bằng gang.
- Với các động cơ công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng thép tấm cuốn
lại và hàn thành vỏ.
 Phần quay - Rotor
- Phần quay Rotor gồm có lõi thép, dây quấn, các bộ phận khác như trục máy, cánh
quạt làm mát (với máy cỡ nhỏ).
 Lõi thép
- Được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình 1.3a.
- Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngồi hình thành các rãnh để
đặt dây quấn roto, ở giữa có lỗ để ghép trục.
- Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép roto khi máy làm việc là rất nhỏ nên không
cần dùng thép kĩ thuật điện.
4

Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

-

Nhưng để lợi dụng phần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng
để ép lõi thép rotor ln như hình1.3b.

Hình 1.3 Lá thép kỹ thuật điện
 Dây quấn rotor:
- Dây quấn roto của động cơ không đồng bộ chia thành 2 loại:
+ Roto kiểu dây quấn
+ Roto kiểu lồng sóc
 Roto kiểu dây quấn
- Dây quấn được đặt trong rãnh của lõi thép roto.
- Dây quấn 3 pha của roto thường đấu hình sao (Y), ba đầu cịn lại được nối với ba
vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục (hình 1.4a), tì lên ba vịng trượt là
ba chổi than (hình 1.4b).

-

Hình 1.4 Roto (a) và sơ đồ mạch điện (b) của roto dây quấn
Thơng qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay đưa s.đ.đ. phụ vào mạch
roto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện cosφ.

-

Khi làm việc bình thường dây quấn roto được nối ngắn mạch.

 Rotor kiểu lồng sóc (cịn gọi là roto ngắn mạch)
- Trong mỗi rãnh của lõi thép roto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm,

hai đầu dài ra khỏi lõi thép. Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu
bằng hai vịng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhơm tạo thành một cái lồng
(quen gọi là lồng sóc) như hình 1.5a.

5


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

-

Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có cơng suất tương đối lớn rãnh
roto thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc). Ở động cơ nhỏ,
rãnh roto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng suất
điện động như hình 1.5b.

a) Dây quấn lồng sóc

b) Dây quấn lồng sóc rãnh chéo

Hình 1.5 Cấu tạo dây quấn rotor lồng sóc
 Khe hở
- Giữa roto và stato có khe hở rất đều.
- Khe hở trong động cơ khơng đồng bộ rất nhỏ (khoảng 0,2 ÷ 1,0 mm) để hạn chế
dịng từ hóa lấy từ lưới vào, làm cho cosφ của máy cao hơn.
c. Nguyên lý làm việc của động cơ khơng đồng bộ ba pha
-

Cho dịng điện xoay chiều 3 pha vào dây quấn 3 pha của stato động cơ, trong lõi
thép stato sẽ hình thành một từ trường quay với tốc độ:

n1 

60 f1
p

(1.1)

trong đó: f1 - tần số của dòng xoay chiều 3 pha
p - số đơi cực của máy

Hình 1.6 Chiều quay động cơ không đồng bộ ba pha
 Từ trường quay của stato quét qua các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng nên
trong dây quấn roto sức điện động (s.đ.đ) cảm ứng E.
 Chiều s.đ.đ cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải như hình 1.6.

6


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

 Vì dây quấn roto ln kín mạch nên trong nó có dịng điện iR . Dịng iR lại sinh ra
từ trường, từ trường roto kết hợp với từ trường quay của stato tạo thành từ trường
trong khe hở giữa stato và roto.
 Tác dụng giữa từ trường khe hở với dòng điện trong dây quấn roto sinh ra lực
điện từ Fdt , chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái. Tập hợp các
lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn của roto tạo ra momen làm cho roto quay
theo chiều từ trường quay như hình 1.6.
 Tốc độ của roto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n1 (n < n1 ), vì
vậy gọi là động cơ khơng đồng bộ

 Nếu n = n1 thì giữa roto và từ trường quay khơng có chuyển động tương đối. Do
đó, trong dây quấn roto khơng có s.đ.đ. và dịng điện cảm ứng. Vì vậy, khơng tạo
ra momen để kéo roto quay.
 Sự khác nhau giữa tốc độ roto và tốc độ từ trường quay được biểu hiện ở hệ số
trượt

s

n1  n
n1

( 1.2 )

Hay :

s% 

n1  n
 100
n1

( 1.3 )

 Ở chế độ làm việc định mức, hệ số trượt của động cơ không đồng bộ từ
0,02 ÷ 0,08
1.1.2. Vấn đề khi khởi động động cơ không đồng bộ ba pha
Khi bắt đầu mở máy thì roto đang đứng yên, hệ số trượt s = 1 nên trị số dịng điện
mở máy tính theo mạch điện thay thế bằng:




1
1
I k  U1 

2
2
2
 R  X 

R2' 
2

 R1    X nm
s 











( 1.4 )

Từ cơng thức trên ta thấy, dịng điện khởi động động cơ không đồng bộ phụ thuộc
vào bản thân cấu tạo của động cơ và phụ thuộc nhiều vào điện áp lưới.

Trên thực tế, do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng
điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính theo cơng thức trên. Ở điện áp định mức,
thường dòng mở máy bằng 4 đến 7 lần dịng định mức. Điều đó khơng những làm cho
động cơ nhanh bị hỏng mà còn làm cho điện áp lưới mỗi khi khi khởi động giảm nhiều.
Do đó nhất thiết ta phải làm giảm dịng điện mở máy.
7


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Khi khởi động động cơ điện cần xét những yếu tố cơ bản như:
-

Phải có momen khởi động M K đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.

-

Dịng điện mở máy I K càng nhỏ càng tốt không ảnh hưởng đến các phụ tải khác.

-

Phương pháp mở máy và thiết bị mở máy phải đơn giản, rẻ tiền, làm việc chắc
chắn.
Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt.

-

Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau, như khi đòi hỏi dòng điện khởi
động nhỏ thường làm cho momen khởi động nhỏ. Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm
việc cụ thể của động cơ điện mà chọn phương pháp mở máy thích hợp.

1.1.3. Các phương pháp khởi động
a. Phương pháp khởi động trực tiếp
-

Đây là phương pháp đơn giản nhất, áp dụng cho động cơ có cơng suất nhỏ hơn
75KW. Bằng cách đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới, động
cơ quay (hình 1.7).

Hình 1.7 Sơ đồ mạch lực khởi động trực tiếp
-

-

Ưu điểm: Khi nguồn điện lớn hơn so với công suất cơ, nên dùng mở máy trực
tiếp vì thời gian mở máy nhanh, phương pháp mở máy đơn giản, momen mở máy
lớn.
Nhược điểm: Mở máy trực tiếp, dòng điện mở máy lớn, nếu quán tính của tải lớn
dẫn đến thời gian mở máy kéo dài, có thể làm cho động cơ điện phát nóng, động
cơ khởi động khơng êm. Ảnh hướng đến điện áp lưới điện vì thời gian giảm áp
quá lâu.

b. Phương pháp khởi động sao – tam giác
-

-

Phương pháp này chỉ dùng khi động cơ làm việc bình thường nối tam giác, khi
khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối Δ để làm việc
(hình 1.8).
Phương pháp này đơn giản, làm việc tin cậy nên được dùng rộng rãi với những

động cơ từ 11KW tới 45KW.

8


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 1.8 Sơ đồ mạch lực khởi động sao – tam giác
Thông số khởi động:
-

-

-

Điện áp khi khởi động:

U Kf'  U k / 3

(1.5)

'
I KY  I Kf
 I kf / 3

(1.6)

Dòng điện khởi động:

Dòng điện khi khởi động trực tiếp:

I K   I Kf 3

(1.7)

I
3
I K
 Kf
3
I KY I Kf / 3

(1.8)

Vậy :

-

Momen khởi động giảm đi 3 lần.
Ưu điểm: Dòng khởi động giảm đi 3 lần, bảo vệ an toàn cho động cơ và thiết bị.
Nhược điểm: Momen khởi động giảm đi 3 lần, thời gian khởi động lâu. Đòi hỏi
người vận hành phải được hướng dẫn cẩn thận.

c. Khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu
-

Động cơ được nối thêm máy biến áp tự ngẫu trong quá trình khởi động (hình 1.9).

Hình 1.9 Sơ đồ mạch lực khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu
9

Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

-

Nguyên lý hoạt động:

Khi khởi động: Cắt CD2, đóng CD3, MBA tự ngẫu để ở vị trí điện áp đặt vào động
cơ khoảng (0,6 ÷ 0,8)Uđm , đóng CD1 để nối stato vào lưới điện thơng qua MBA tự ngẫu.
Khi động cơ quay ổn định: cắt CD3, đóng CD2 để ngắn mạch MBA tự ngẫu, nối
trực tiếp dây quấn stato vào lưới.
Thông số khởi động:
-

Điện áp trên stato:

U K  KT .U1 (hệ số 𝐾𝑇 < 1)
-

Dòng điện khởi động:
I K'  KT .I K

-

(1.9)
(1.10)

Dòng điện máy biến áp nhận từ lưới:
I1  KT .IT2  KT2 .I K

(1.11)

M K'  KT2 .M K

(1.12)

Momen khởi động:
Ưu điểm: Dòng mở máy nhỏ, momen mở máy lớn. Dùng trong các loại động cơ
cao áp có dải lựa chọn các điện áp.
Nhược điểm: Giá thành thiết bị mở máy đắt tiền hơn phương pháp mở máy trực
tiếp hay mở máy bằng phương pháp sao – tam giác.

d. Phương pháp khởi động mềm
-

Khởi động mềm là phương pháp thường dùng cho động cơ có cơng suất trung
bình và lớn.
Khởi động mềm (soft start) là khởi động dùng bộ biến đổi điều áp xoay chiều để
điều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc mở thyristor.
Khởi động mềm điều khiển động cơ điện nhằm bảo vệ chống sụt áp hệ thống
điện, làm giảm hao mịn hệ thống máy móc và cơ khí, giúp động cơ khởi động
và dừng êm.

Hình 1.10 Sơ đồ mạch lực khởi động mềm
10


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

-

Ưu điểm: Momen khởi động thay đổi mềm, khống chế được dòng khởi động.
Đáp ứng nhanh khi đóng ngắt. Khơng có vấn đề phát sinh hồ quang, bảo vệ quá
dòng quá áp mất pha động cơ, tăng tuổi thọ động cơ và các cơ cấu chấp hành,
giảm tổn thất điện năng không làm ảnh hướng đến chất lượng lưới điện, có thể
kết hợp điều chỉnh tốc độ động cơ.

-

Nhược điểm: Điện áp và dòng điện điều chỉnh khơng hình sin, càng điều chỉnh
càng bị méo và biên độ sóng hài cũng cao hơn. Chi phí cao, khó thi cơng, khó
bảo trì bảo dưỡng q trình vận hành lắp đặt địi hỏi người có chun mơn vững
vàng về sản phẩm.

1.1.4. Lựa chọn phương án khởi động
Các phương án khởi động:
- Khởi động trực tiếp: Đóng nguồn trực tiếp vào dây quấn stator.
- Dùng biện pháp tự ngẫu: Ta sử dụng một máy biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối
với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau khi mở máy xong thì biến áp
tự ngẫu được ngắt ra khỏi mạch động lực động cơ.
- Mở máy bằng phương pháp thay đổi nối Υ-∆: Phương pháp này thích ứng với

-

những máy khi làm việc bình thường ở chế độ đấu tam giác, khi mở máy ta đổi
thành sao.
Máy bằng phương pháp khởi động mềm: Khởi động dùng bộ biến đổi điều áp
xoay chiều 3 pha để điều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc mở
thyristor.

Ba phương pháp khởi động đầu tiên trên đều có tác dụng giảm dịng điện mở máy
nhưng trong q trình hoạt động của động cơ khi dịng điện tăng đột ngột vì một lý do
nào đó thì ba phương pháp trên không đáp ứng được (không hạn chế được dịng điện
đó). Vì vậy, ta dùng bộ điều áp xoay chiều 3 pha (phương pháp khởi động mềm).
Ưu điểm của phương pháp dùng điều áp xoay chiều 3 pha là khi điều chỉnh góc α
thích hợp của các xung điều khiển đặt vào các Thyristor có thể giảm được điện áp đặt
vào stato. Do đó hạn chế được dịng qua động cơ và vẫn còn tham gia vào mạch trong
quá trình hoạt động của động cơ.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là dòng điện và điện áp đều khơng có
dạng hình sin. Nhưng do thời gian mở máy rất nhỏ (từ 1÷3 giây) nên ta vẫn có thể sử
dụng được.
 Vì vậy, phương án dùng bộ điều áp xoay chiều 3 pha để làm bộ khởi động mềm
cho động cơ không đồng bộ được chọn trong đồ án này.

11


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

1.2. Giới thiệu chung về điều áp xoay chiều ba pha
1.2.1. Khái niệm, phân loại, ứng dụng điều áp xoay chiều ba pha
a. Khái niệm

Bộ biến đổi xung áp xoay chiều là thiết bị dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều ra
tải từ một nguồn áp xoay chiều.
b. Phân loại
Điều áp xoay chiều được phân loại theo một số cách sau đây:
 Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:
+ Điều áp xoay chiều 1 pha

+ Điều áp xoay chiều 2 pha
+ Điều áp xoay chiều 3 pha
 Phân loại theo van bán dẫn trong mạch
+ Mạch dùng thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển
+ Mạch dùng triac
+ Mạch dùng thyristor và diot, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.
c. Ứng dụng
Điều áp xoay chiều ứng dụng tương đối hạn chế trong thực tế do có nhược điểm là
trong tồn giải điều chỉnh có dạng điện áp và dịng điện khơng sin. Vì vậy chủ yếu được
sử dụng với các tải mang tính thuần trở. Chủ yếu sử dụng để điều khiển công suất tiêu
thụ của các tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu
quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt
gió, máy bơm, máy xay), điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn,
máy sấy). Bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong các hệ thống bù nhuyễn công
suất phản kháng.
1.2.2. Giới thiệu các loại van bán dẫn thường sử dụng trong điều áp xoay chiều ba
pha
a. Thyristor
Thyristor hay Chỉnh lưu silic có điều khiển là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp
bán dẫn, ví dụ như P-N-P-N, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N: J1, J2, J3 như hình 1.12.
Thyristor có ba cực hoạt động là anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G) như
được biểu diễn trong hình 1.11. Nó được dùng cho chỉnh lưu dịng điện có điều khiển.
 A – kí hiệu anode: có nghĩa là cực dương
12


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

 K – kí hiệu cathode: có nghĩa là cực âm
 G – gate: có nghĩa là cực khiển (cực cổng)

Hình 1.11 Ký hiệu điện Thyristor

Hình 1.12 Biểu diễn của lớp Thyristor

b. Triac
Triac (viết tắt của Triode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm năm lớp
bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và
T2, do đó có thể dẫn dịng theo cả hai chiều giữa T1 và T2. Triac có thể coi tương đương
với hai thyristor đấu song song song ngược, để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho
chân G của Triac.

Hình 1.13 Ký hiệu điện Triac
c. Lựa chọn van trong điều áp xoay chiều 3 pha
-

-

-

Bằng cách sử dụng 6 Thyristor, khởi động mềm có thể điều chỉnh điện áp được
áp dụng cho động cơ khi bắt đầu từ 0V đến điện áp dòng. Như vậy hoạt động của
bộ khởi động mềm dựa trên việc điều khiển điện áp cấp cho động cơ.
Hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp
trong khi khởi động và dừng động cơ, tức trị số điện áp hiệu dụng của điện áp
thay đổi.
Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu góc mở thyristor bị cắt và dịng điện dừng lại tại
điểm qua khơng kế tiếp của điện áp nguồn.

 Vì vậy, quyết định chọn van Thyristor trong bộ điều áp xoay chiều 3 pha để làm

bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ.

13


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.3. Giới thiệu van Thyristor
a. Cấu tạo, kí hiệu
Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p-n-p-n ghép lại tạo thành, tạo ra 3 lớp tiếp
giáp p-n: J1 , J2 , J3 như hình 1.14a. Thyristor có 3 cực là anot A, catot K và cực điều
khiển G gọi là A-K-G như hình 1.14b. Thyristor là Diode có điều khiển, bình thường
khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G
thì Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới
ngưng dẫn.

a) Cấu trúc bán dẫn
Hình 1.14 Thyristor

b) Kí hiệu

b. Đặc tính Volt-Ampe của Thyristor
Đặc tính vơn-ampe của một Thyristor gồm 2 phần như hình 1.15. Phần thứ nhất nằm
trong góc phần tư thứ I gọi là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp > 0;
phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường
hợp < 0.

Hình 1.15 Đặc tính volt-ampe của thyristor
14

Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển cầu Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch từ cực điều
khiển Thyristor sẽ cản dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp giữa anotcatot. Khi điện áp < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1 , J3 đều được
phân cực, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống 2 diot mắc nối tiếp bị phân
cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi
tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng,
dịng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như đặc tính ngược của diot, q trình bị đánh
thủng là q trình khơng thể đảo ngược được, nếu có giảm điện áp xuống dưới thì dịng
điện cũng khơng giảm được về mức dòng rò, Thyristor đã bị hỏng.
Khi điện áp anot-catot theo chiều thuận (> 0), lúc đầu cũng chỉ có một dịng điện rất
nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anot-catot vẫn có giá trị rất
lớn. Khi đó tiếp giáp J1 , J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi tăng đạt đến
giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot-catot
đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi.
Nếu khi đó dòng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dịng duy trì, thì
khi đó Thyristor sẽ dẫn dịng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận
ở diot. Đoạn đặc tính thuận đặc trưng bởi tính chất dịng có thể có giá trị lớn nhưng điện
áp rơi trên anot-catot không phụ thuộc vào giá trị của dịng điện.
 Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dịng điện đưa vào giữa cực điều khiển và catot, quá trình chuyển điểm làm
việc trên đường đặc tính thuận xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị
lớn nhất. Điều này được mơ tả trên hình 1.15 bằng những đường nét đứt, ứng với các
giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1 , IG2 , IG3 … nói chung. Nếu dịng điều khiển lớn
hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với nhỏ hơn.
Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ khơng có gì khác so với trường hợp
dòng điều khiển bằng 0.
c. Mở, khóa Thyristor

Thyristor có đặc tính giống như diot, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một
chiều từ anot đến catot và cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, khác
với diot, để Thyristor có thể dẫn dịng, ngồi điều kiện phải có điện áp > 0 cịn cần thêm
một số điều kiện khác. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để
phân biệt với diot là phần tử không điều khiển được.
 Mở khóa Thyristor
Khi được phân cực thuận (> 0), Thyristor có thể bằng 2 cách:
15


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Thứ nhất, có thể tăng áp anot-catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất, điện trở tương đương trong mạch anot-catot sẽ giảm đột ngột và dịng qua Thyristor
sẽ hồn tồn do mạch ngồi xác định. Phương pháp này trong thực tế khơng được áp
dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và khơng phải lúc nào cũng có thể tăng
được điện áp đến giá trị và như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác
dụng của xung điện áp một thời điểm ngẫu nhiên không định trước.
Phương pháp thứ hai, phương pháp này được áp dụng thực tế là đưa xung dịng điện
có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển
trạng thái Thyristor từ trở kháng thấp ở mức điện áp anot-catot nhỏ. Khi đó nếu dịng
qua anot-catot lớn hơn một giá nhất định, gọi là dịng duy trì thì Thyristor sẽ tiếp tục ở
trạng thái mở dẫn dịng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển. Điều này
nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dịng có độ rộng xung nhất
định. Do đó, cơng suất của mạch điều khiển có thể rất nhỏ so với công suất của mạch
lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện.
 Khóa Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dịng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch
anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn giá trị dòng duy trì. Tuy nhiên
để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa với trở kháng cao khi điện áp anot-catot lại dương,

cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hồn tồn tính chất
cản trở dịng điện của mình.
Khi Thyristor dẫn dịng theo chiều thuận (> 0), hai lớp tiếp giáp J1 , J3 phân cực
thuận, các điện tích đi qua 2 lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực
ngược. Vì vậy mà dịng điện có thể chạy qua 3 lớp tiếp giáp J1 , J2 , J3 . Để khóa Thyristor
lại cần giảm dòng anot-catot về dưới mức dòng duy trì bằng cách đổi chiều dịng điện
hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anot và catot của Thyristor. Sau khi dòng về bằng
0 phải đặt một điện áp ngược lên anot-catot (< 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu
gọi là thời gian phục hồi. Chỉ sau đó Thyristor mới có thể cản trở dịng điện theo cả hai
chiều. Trong thời gian có một dịng điện ngược chạy giữa anot và catot, dòng điện ngược
này di chuyển cả điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương ứng của hai
tiếp giáp J1 , J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích di
chuyển ra ngồi cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1 , J3 đến điện
áp ngược tại thời điểm đó.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor. Thời gian
phục hồi các dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5-50 đối
với các Thyristor tần số cao và cỡ 50-200 đối với các Thyristor tần số thấp.

16


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

d. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor

Hình 1.16 Yêu cầu đối với xung điều khiển của Thyristor
Có thể thấy được đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất ứng với một
nhiệt độ mơi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở
được một Thyristor như hình 1.16. Dịng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều
khiển và catot cũng là phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị

hạn chế về công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng của
xung điều khiển. Tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì cơng suất
cho phép có thể càng lớn.

Hình 1.17 Sơ đồ khuếch đại xung điều khiển Thyristor
Khóa Thyristor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện
áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của Thyristor ở
phía bên cuộn thứ cấp. Như vậy, mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển
bởi biến áp xung như hình 1.17. Điện trở R hạn chế dòng qua tranzito và xác định nội
trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Diot D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi
tranzito T khóa lại để chống quá áp trên T. Diot D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển.

17


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Diot D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng
giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi Thyristor bị phân cực ngược.
e. Các thông số cơ bản của Thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một Thyristor cho
một ứng dụng cụ thể nào đó.
 Giá trị trung bình cho phép chạy qua Thyristor
Đây là giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ
của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong
thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và
nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm
mát tự nhiên. Ngồi ra, Thyristor có thể được làm mắt cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc
dùng nước để tải nhiệt lượng ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập
ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dịng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh

nghiệm sau:
 Làm mát tự nhiên
 Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió
 Làm mát cưỡng bức bằng nước
 Điện áp ngược cho phép lớn nhất 𝐔𝐧𝐠.𝐦𝐚𝐱
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng
dụng phảo đảm bảo rằng: Tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anot-catot ln nhỏ hơn
hoặc bằng. Ngồi ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải
chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên cơ sở đó.
 Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thyristor sau
khi dòng anot-catot đã về bằng 0 trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor vẫn
khóa. Thời gian phục hồi là một thông số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong các
bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập. Trong đó, phải ln đảm bảo rằng
thời gian dành cho q trình khóa bằng 1,2 đến 1,5 lần.
 Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)
Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được phân
cực thuận nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dịng điện chạy
qua. Khi Thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp 𝐉𝟐 được
chỉ ra trên hình 1.18.

18


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 1.18 Hiệu ứng tác dụng như dòng điều khiển
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, rạo ra vùng khơng gian
nghèo điện tích, cản trở dịng điện chạy qua. Vùng khơng gian này có thể coi như một
tụ điện có điện dung. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dịng điện của tụ có thể

có giá trụ đáng kể, đóng vai trị như dịng điều khiển. Kết quả là Thyristor có thể mở ra
khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áo là một thông số phân biệt Thyristor tần số thấp với Thyristor
tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, du/dt vào khoảng 50 đến 200V; với các Thyristor có
tần số cao thì du/dt có thể đạt 500 đến 2000V.
 Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt (A/ μs)
Khi Thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của
nó đều dẫn dịng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm gần với cực
điều khiển nhất. Sau đó sẽ làn tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc
độ tăng dịng q lớn, có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn
thì sự phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến họng cục bộ từ, dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện
tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dịng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp có di/dt cỡ 50-100A, với các
Thyristor tần số cao di/dt cỡ 500-2000A. Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ
tăng dòng cho phép. Điều này đạt được nhờ mắt nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn
kháng trị số nhỏ. Cuộn kháng có thể có lõi khơng khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những
xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo điện áp giá trị khác nhau, tùy theo số lượng xuyến
sử dụng. Xuyến ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hịa. Khi
dịng điện qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng.
Khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm gần như bằng 0. Như vậy cuộn
kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn.

19


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.4. Phân tích, tính tốn sơ đồ mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng 6 thyristor
đấu song song ngược
a. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều chỉnh áp

Bộ biến đổi xung áp (BBĐXA) là bộ biến đổi mà điện áp nguồn dịng được đóng,
cắt vào phụ tải một cách có chu kỳ. Do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiều
(BBĐXA một chiều) hoặc xoay chiều (BBĐXA xoay chiều) tùy thuộc vào điện áp
nguồn là điện áp một chiều hoặc điện áp xoay chiều.
Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử cơng suất vì
chúng có đặc tính tương đứng với khóa lý tưởng, tức là khóa điện dẫn (đóng) điện trở
của nó khơng đáng kể, cịn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó lớn vô cùng (điện
áp trên tải sẽ bằng không).
b, Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha
Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng để chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với
hiệu suất cao. Để điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha có thể sử dụng ba sơ đồ:
-

Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng Thyristor mắc ngược để thay đổi giá trị
điện áp trong nửa chu kì 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.
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất.
 Sơ đồ đấu sao có trung tính

Hình 1.19 Sơ đồ nối sao trung tính
Với sơ đồ này thì các cặp thyristor mắc ngược nhau làm độc lập với nhau. Ta có thể
thực hiện điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc khơng đối xứng. Do
đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha.
20


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Các van đấu trung tính có tồn tại dịng điện điều hịa bậc cao, khi góc mở các van khác
khơng có dịng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với các loại tải 3 pha có
4 đầu dây ra.
 Sơ đồ tải đấu tam giác

Hình 1.20 Sơ đồ tải đấu tam giác
Sơ đồ này có nhiều điều khác so với sơ đồ có dây trung tính. Ở đây dịng điện chạy
giữa các pha vơi nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho 2 thyristor của 2 pha
1 lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế đơi khi gặp khó khăn trong mặt điều khiển, ngay
cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ khơng hoạt động.
 Sơ đồ đấu sao khơng trung tính

Hình 1.21 Sơ đồ đấu sao khơng trung tính
Với sơ đồ này hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao khơng
dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp
3 pha khơng dây trung tính phụ thuộc vào góc α.
21


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đối xứng,
đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn.
Việc xác định điện áp phải căn cứ vào chương trình làm việc của các Thyristor. Giả
thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch
nhau 120 .
Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dịng của 2 pha
cịn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Khơng có trường
hợp chỉ có 1 pha dẫn dịng.

Khi dịng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha.
Khi dịng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng 1/2 điện áp dây.
 Lựa chọn sơ đồ
Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu và vì qua trình dẫn dịng trong một pha phải
tương thích với q trình dẫn dịng trong pha khác nên chúng em chọn sơ đồ “đấu sao
không trung tính”.
 Sau đây chúng em phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau
với tải R-L
Khi tải mang tính trở kháng R-L (các cuộn dây stator của động cơ khơng đồng bộ
ba pha), sẽ có ba chế độ làm việc:
a) Nếu α < φ: Dòng tải và điện áp trên tải là liên tục hình sin vì lúc này cá van đều
dẫn điện trong một nửa chu kì và ở bất cứ thời điểm nào cũng có 3 van của 3 pha
dẫn điện như hình 1.22. Do đó:

uZA  ua  U m sin 
iZA 

Um
sin 
Za

(1.13)

Hình 1.22 Đồ thị điện áp trên tải với giá trị α < φ
22


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

 U hd  U m

1  3 
sin 2  





  2 4 
2  

(1.14)

b) Nếu  <  < gh : gh - là giá trị mà vẫn còn tồn tại những khoảng thời gian mà
cả 3 van thuộc về 3 pha vẫn dẫn điện. Đường cong điện áp trên tải sẽ có dạng
như hình 1.23.

 gioihan


2  - 3tg 1 
 arctg
-  
e
2 
3 

(1.15)

Trong mỗi chu kỳ điện áp nguồn sẽ xen kẽ trạng thái 3 van dẫn hoặc 2 van dẫn. Như

vậy, khi cả ba thyristor dẫn điện thì: uZA  U m sin   .Lt

dia
 ia Rt
d

(1.16)

Khi hai thyristo của pha a và pha b dẫn ta có:

uab
di
3

U m sin   300   .Lt a  ia Rt
2
2
d
Khi hai thyristor của pha a và pha c dẫn ta có:
uZA 

uZA 

(1.17)

uac
di
3
 U m sin  - 300   .Lt a  ia Rt
2

2
d

(1.18)

Khi các tiristo của pha a khố ta có: uZA = 0
Giải các phương trình trên ta sẽ tìm được các biểu thức của dòng điện ứng với từng
đoạn nêu trên (trong nửa chu kỳ có 6 đoạn).
 - n

K n' U m
sin  -      A.e tg
Biểu thức tổng quát của dòng điện: in 
Zn

(1.19)

n - số thứ tự của các đoạn trong mỗi nửa chu kỳ.

K n'  2 - nếu điện áp là điện áp pha.
K n' 

3
- nếu điện áp là điện áp dây (uab/2 hoặc uac/2).
2

π π

β =  0,  , -  tuỳ thuộc vào số đoạn.
6 6



 n - giá trị ban đầu của góc .
A - hằng số tích phân.

23


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 1.23 Đồ thị điện áp trên tải với giá trị α < gh
 U hd  U m

3
4

 3

3

sin
2


cos
2



4

3 4


(1.20)

c) Khi giới hạn <  < 1500: Đường cong điện áp trên tải có dạng hình 1.24. Mỗi nửa
chu kỳ sẽ có hai đoạn mà uza=uab/2 và uza=uac/2. Đối với các đoạn còn lại uza=0.
Chế độ này xen kẽ trạng thái chỉ có 2 van dẫn hoặc khơng van nào dẫn. Góc điều
khiển lớn nhất max=1500.

Hình 1.24 Đồ thị điện áp trên tải với giá trị giới hạn <  < 1500

 U hd 

Um
2


1  5
3
3 3
cos 2 
  3  sin 2 
 2
4
4


(1.21)

24


Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1. Thiết kế mạch lực
a) Sơ đồ mạch lực

Hình 2.1 Mạch động lực và các thiết bị bảo vệ điều áp xoay chiều 3 pha (Y)
b) Chức năng của các phần tử trong sơ đồ
Trong bộ điều chỉnh điện áp, phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh
về điện áp dịng điện chính là các van bán dẫn. Vì vậy việc bảo vệ mạch lực chủ yếu là
bảo vệ các van bán dẫn khỏi hai trạng thái: quá dòng và quá áp.
-

Bảo vệ xung điện áp từ lưới bằng mạch R1C1 .

-

Bảo vệ xung điện áp do chuyển van R2C2 .

-

Bảo vệ quá dòng bằng Aptomat, La.

2.2. Tính chọn van mạch lực
 Tính tốn thơng số van
Tính chọn van cho mạch điều áp xoay chiều ba pha với nguồn lưới Udây (Y) = 415V,
tần số fđm = 50Hz, hệ số cosφ = 0.87, Pđm = 11kW, 𝑛đ𝑚 = 2925 v/phút, hiệu suất

ƞ = 90%, 𝐼ư.đ𝑚 = 20.8 (A), 𝑀𝑛𝑚 = 36.2 (Nm), điện áp khởi động ban đầu từ 20% đến
50% điện áp định mức, trong khoảng thời gian 20s.

25