Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U,f = const và điều chế SPWM

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều
khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế SPWM. Từ
cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần
số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các
phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều
khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành
thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian nên
trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ
ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang
thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô
trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm
cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hoàn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa, đã
tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn
thành đề tài này.

Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009
MỤC LỤC
SVTH: Vũ Quang Trình
1
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
SVTH: Vũ Quang Trình
2
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I
Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha
1. Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau
120
o
trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ
trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường
quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng
trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có
dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay
lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy
tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay
với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn
phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay
cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn
roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen
quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ
trường.
Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay
động cơ xoay chiều.
SVTH: Vũ Quang Trình
3
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n

o
(vòng/phút) thì tốc độ quay của
roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω
o
; n < n
o
). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ
gọi là độ trượt s:
o
o
s
ω − ω
=
ω
(1-1)
Từ đó ta có:
ω = ω
o
(1 – s) (1-2)
hay
n = n
o
(1 – s) (1-3)
Với:
2 n
60
ω =
π
(1-4)
SVTH: Vũ Quang Trình

4
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
o 1
o
2 n 2 f
60 p
ω =
π π
=
(1-5)
f
1
- tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ω
o
là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều
với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:
o
2 1
np(n
f
6
)
s
0
f
−

= =
(1-6)
2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba
pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không
đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép
và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình
vẽ 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
SVTH: Vũ Quang Trình
5
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Trong đó:
U
1
– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
I
µ
, I
1
, I
’
2
– dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về
stato (A)
X
µ
, X
1

, X
’
2
– điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã
quy đổi về stato (Ω)
R
µ
, R
1
, R
’
2
– điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy
đổi về stato (Ω)
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
'
'
2
1 2
2
2
o 1 nm
3U
M
R
s R X
s
R
,[Nm]=

 
 
ω +
 
 
 
 
 
+
(1-7)
Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm
= X
1
+ X
’
2
2.2. Đường đặc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị
của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường
đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
SVTH: Vũ Quang Trình
6
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:
dM

0
ds
=
(1-8)
Giải phương trình ta có:
2
th
2 2
1 nm
'
R
R
s
X+
±=
(1-9)
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
2
1
th
2 2
o 1 1 nm
3U
M
2 (R R X )+ω ±
=
(1-10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s
th
và

M
th
của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
SVTH: Vũ Quang Trình
7
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai
đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn
này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên
đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm
việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen
mở máy:
2
1 2
mm
2 2
o 1 2
'
nm
'
R
R )
3U
X
M
(R
=
 
ω +


+

(1-11)
Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M
c
= 0 ) và tốc độ đồng bộ:
1
o
2 f
p
ω =
π
(1-12)
3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f
1
đến đặc tính cơ:
Khi thay đổi f
1
thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω
o
thay đổi, đồng thời X
1
, X
2
cũng bị
thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s
th
và momen tới
hạn M

th
.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s
th
= f(f
1
) và momen tới hạn theo tần số M
th
=
f(f
1
) là phức tạp nhưng vì ω
o
và X
1
phụ thuộc tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các biểu
thức của s
th
và M
th
rút ra:
SVTH: Vũ Quang Trình
8
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
th
1
th
2

1
s
1
1
f
M
f







:
:
(1-13)
Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s
th
và momen tới hạn M
th
đều tăng nhưng M
th
tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f
1
xuống dưới tần số định mức f
1dm
thì tổng trở của các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng

mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời
giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
1
1
u
const
f
=
(1-14)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1dm
. Ở vùng f
1
> f
1dm
thì không thể tăng
điện áp nguồn mà giữ U
1
= U
1dm
nên ở vùng này M
th
sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình
phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
f c/ tU ons=
để

giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.
Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn
SVTH: Vũ Quang Trình
9
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay
đổi điện áp
4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết
bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị
điện dân dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi
các hệ thống truyền động điện.
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được.
Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không
đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các
quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc
độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử
dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu
trong quá trình tự động hóa.
SVTH: Vũ Quang Trình
10
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại
hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng
bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài
chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được
dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm

hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng
bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ
trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất
điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày
càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số
của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất
phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều đòi
hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay
chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều
làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước
đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
5. Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế
nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ
một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển
SVTH: Vũ Quang Trình
11
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc
giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ
thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện
xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán
dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều
khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở

thành một tiêu chuẩn công nghiệp.
Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải
tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt
yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo
dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy, những hệ
truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền
động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng rộng
rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen
cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì
động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi đó, các ứng
dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với
các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự
đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi một khối
lượng tính toán trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý
thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển
vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì
giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).
SVTH: Vũ Quang Trình
12
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý khác
chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic ) vào
điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền động.
Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ truyền
động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹ
thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn ( Semiconductor
Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý

thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn
chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.
CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA
1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi
trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp,
một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian
momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể
làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
SVTH: Vũ Quang Trình
13
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu
như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng
0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu
như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tải
tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1,
dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng
công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ.
Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng
suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các
phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác
dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.

Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công
suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ
thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ
động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. Mà điều này là không thể thực
hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong
động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong
động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng.
Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính
chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng
đến các vòng đồng của roto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu
không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ.
SVTH: Vũ Quang Trình
14
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh.
Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời
những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính
toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng
cao.
2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto R
f

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số
cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ
tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số
đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ
không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
.
3. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi
cực từ theo công thức:
1
o
2 f
p
ω
π
=
(2-1)
SVTH: Vũ Quang Trình
15
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:
o
(1 s)ω = ω −
(2-2)
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f
1

hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số
đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f
1
. Bằng
cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi tần
số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện
và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho
mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc
hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật
điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thế là từ
thông stato Φ
1
, từ thông của roto Φ
2
, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ
µ
. Vì
momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông
không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như
sau:
- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = M
th
/M
c
= const
- Luật dòng điện không tải không đổi: I
o
= const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I
1
= f(Δω)
4. Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sdd của cuộn dây stato E
1
tỷ lệ với từ thông Φ
1
và tần số f
1
theo biều thức:
1 1 1 1 1 1
K f U I ZE = = −Φ
& &&
&
(2-3)
Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z
1
, ta có E
1
≈ U
1
, do đó:
SVTH: Vũ Quang Trình
16
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
1
1
1
U

K
f
Φ =
(2-4)
Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U
1
/f
1
không đổi. Trong
phương pháp U/f = const thì tỷ số U
1
/f
1
được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định
mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở
stato dẫn đến E
1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn
toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
2
1
2 2
2
0 1
'
2
'
1 2
'

3U R / s
M
[(R ) ]
R
(X X )
s
=
ω + ++
(2-5)
Và momen tới hạn:
2
1
th
2
0 1 1 1 2
'
3U
M
2 ( RR X(X ))+ + +
=
ω
(2-6)
Khi hoạt động ở định mức:
2
1dm
dm
2 2
2
0dm 1 1dm 2d
'

2
'
m
'
3U R / s
M
[(R )
R
s
(X X ) ]
=
ϖ + + +
(2-7)
2
1dm
thdm
2 2
0dm 1 1 1dm 2dm
'
3U
M
2 (R (XR X ))ω + + +
=
(2-8)
Ta có công thức sau:
SVTH: Vũ Quang Trình
17
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
1dm
1

a
f
f
=
(2-9)
Với f
1
– là tần số làm việc của động cơ, f
1dm
– là tần số định mức. Theo luật U/f=
const :
1 1dm 1 1
1 1dm 1dm dm
U U U f
a
f f U f
= ⇒ = =
(2-10)
Ta thu được:
1 1dm
1 1dm
U aU
f af
=
=
(2-11)
Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ω
o
= aω
odm

; X
1
= aX
1dm
; X
’
2
= aX
’
2dm
. Thay
các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:
2
2
'
'
1dm
2 2
1 2
o
1 2
'
3
R R
) X )
a a.
R
U
a.s

M
( (X
s
=
ω
 
 
 

+

 
+

+

(2-12)
2
1dm
th
2
o
2
1 1
'
1 2
3
2
R R
X )

a a
U
M
(X
=
ω
 
+ +
 
 
+
(2-13)
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X
1
và X
’
2
phụ thuộc vào tần số trong
khi R
1
lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1
+ X
’
2
) >> R
1
/a,
SVTH: Vũ Quang Trình
18

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
sụt áp trên R
1
rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như
không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R
1
/a sẽ tương đối lớn so
với giá trị của (X
1
+ X
’
2
) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn.
Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ
điện một điện áp U
o
để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ
sau:
U
1
=U
o
+ Kf
1
(2-14)
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U
1
cấp cho động cơ U=U

dm
tại f =
f
dm
. Khi a > 1 (f > f
dm
), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó động
cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa
momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:
SVTH: Vũ Quang Trình
19
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn
- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ
định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ
định mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc
này.
- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng
cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện
áp định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng
trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay
đổi của tần số theo thời gian.
CHƯƠNG 3
BIẾN TẦN
1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày

càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận
đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ
điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống
SVTH: Vũ Quang Trình
20
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế
giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi
đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính
yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng
dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng
để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy:
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
• Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt
gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm),
chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi
lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn
thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
SVTH: Vũ Quang Trình
21
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ
thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều
phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh
kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến
áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít
hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn
nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo
trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ
ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát
như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà
chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp
này.
2. Phân loại biến tần
Biến tần thường được chia làm hai loại:
- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp
SVTH: Vũ Quang Trình
22
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
2.1. Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không
thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn
tần số lưới ( f
1
< f
lưới
). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
2.2. Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy
có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau:
a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành
điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày
nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm
vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói
chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua
luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu
bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải.
Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo
ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.
SVTH: Vũ Quang Trình
23
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành
dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập
Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:
- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng
trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính
chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ.
Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được
định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là
nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức
điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên
theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện.
Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt
động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và
dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải.
3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần
Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình ()
SVTH: Vũ Quang Trình
24
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm
biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có
tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều
nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó
đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau:
- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng
- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm
SVTH: Vũ Quang Trình
25