BỘ CÔNG THƯƠNG
------------------

ĐỒ ÁN 1
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG
Tên đề tài:
Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba
pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha

HÀ NỘI – 2022


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều khiển
động cơ xoay chiều ba pha.
Thông số động cơ ba pha :
TT
6

Cơng suất
(kW)
2,2

SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Điện áp định
mức (VAC)
380

Dịng điện
định mức (A)
5,09

Tốc độ định
mức (v/phút)
1400

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Lời nói đầu
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng
những nhu cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi ngành công nghiệp.
Bước tiến vượt bậc của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn,
nó là một yếu tố khơng thể thiếu trong ngành tự động hóa. Việc ứng dụng nó
rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử cơng suất nó
được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử góp phần tạo lên những mạch
điều khiển ứng dụng trong nhiều động cơ.
Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền đồng điện đặc biệt là
điều khiển động cơ. Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng
dụng quan trọng trong động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử
dụng ngày càng rộng rãi trong cuộc sống, các sinh viên ngành điện chúng tôi
tham gia làm đồ án mơn học Điện Tử Cơng Suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn về vấn
đề này.

Tên đồ án môn học : “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp
xoay chiều ba pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha.” Gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu
Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển
Với sự hướng dẫn rất nhiệt tình của Giáo viên hướng dẫn và các thầy
cơ trong bộ mơn. Tơi đã hồn thành được đồ án của mình với sự học hỏi và
mở mang tầm nhìn kiến thức.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

MỤC LỤC
Đề bài………………………………………………………………….. 1
Lời cam đoan………………………………………………………….. 1
Lời cảm ơn…………………………………………………………….. 1
Lời nói đầu…………………………………………………………….. 3
Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu………………………… 6
1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha…………………………….. 6
1.1.1. Tổng quan nguyên lý…………………………………………….. 10
1.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ…………………….. 10
1.1.2.a. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ……………………. 10
1.1.2.b. Điều chỉnh điện trở rôto động cơ không đồng bộ……………… 11
1.1.2.c. Điều khiển công suất trượt……………………………………... 12

1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha…………………………….. 13
1.2.1. Khái niệm………………………………………………………… 13
1.2.2.1. Các mạch phát xung điều khiển đơn giản.................................... 14
1.2.2.1a. Mạch điều khiển dùng dioot-biến trở (D-R)............................... 14
1.2.3. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi............................................................. 15
1.2.4. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi………………………… 16
1.3. Đặt bài tốn…………………………………………………………. 17
Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực……………………………… 17
2.1. Tính tốn, thiết kế mạch lực………………………………………… 17
2.1.1. Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực………………………………… 21
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

2.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử mạch lực………………………… 22
2.2. Mô phỏng mạch lực…………………………………………………. 24
2.2.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng………………………………………. 24
2.2.2. Kết quả mơ phỏng…………………………………………………. 26
Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển……………………….. 27
3.1. Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển…………………………………. 27
3.1.1. Khâu đồng bộ……………………………………………………… 28
3.1.2. Khâu tạo điện áp răng cưa………………………………………… 30
3.1.3. Khâu so sánh……………………………………………………… 33
3.1.4. Khâu tách xung…………………………………………………… 34
3.1.5. Khâu khuếch đại xung và khâu phân chia xung………………….. 35

3.1.6. Khâu dao động tần số cao………………………………………… 37
3.1.7. Khâu tạo xung chùm……………………………………………… 37
3.1.8. Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển………….. 38
3.2. Mô phỏng mạch điều khiển…………………………………………..39
3.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng………………………………………… 39
3.2.2. Kết quả mô phỏng…………………………………………………. 41
Kết luận………………………………………………………………….. 43
Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 43
Nhận xét và chữ ký……………………………………………………… 43

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu
Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp
xoay chiều giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh
được. Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần
số nhưng có giá trị khác thì phổ biến nhất là dùng máy biến áp. Máy biến áp
có ưu điểm là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, độ bền cao và nếu điện nguồn có
dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin. Tuy vậy máy biến áp cũng
có nhược điểm là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra, nhất là trong trường
hợp cơng suất trung bình và lớn, điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng
máy biến áp trong một số trường hợp. Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra
trong phạm vi rộng, đặc biệt là khi cơng suất trung bình và lớn thì người ta sử

dụng một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay chiều hay BBĐ điện
áp pha.
BBD xoay chiều-xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các
dụng cụ bán dẫn có điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng
tính chất có điều khiển của các dụng cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi
nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều hình sin làm cho điện áp ra có giá
trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn. BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng
gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp
ra trong phạm vi rộng với mọi cấp công suất. Nhưng BBĐ này cũng có một số
nhược điểm là độ tin cậy không bằng máy biến áp, thiết bị điều khiển tương
đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng và áp của các
dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện
áp ra khơng cịn dạng hình sin nữa.
Các BBĐ xoay chiều - xoay chiều được ứng dụng trong một số trường
hợp như sau:
- Để điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công
suất nhỏ bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stato
của động cơ.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

- Khởi động các động cơ xoay chiều khơng đồng bộ rơ to lồng xóc cơng
suất trung bình và lớn.

- Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi có yêu cầu điều
chỉnh trơn điện áp ra, ví dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn điện cao áp cấp
cho lò tần số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực.
1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha
*Khái niệm:
- Máy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều, làm việc
theo nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của rotor n khác với tốc độ
quay từ trường (n1). Máy điện khơng đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator
(sơ cấp) với lưới điện tần số khơng đổi, dây quấn rotor (thứ cấp). Dịng điện
trong dây quấn rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ
phụ thuộc vào rotor, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy.
- Cũng như các máy điện khác, máy điện khơng đồng bộ có tính thuận
nghịch, có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện.
Có nhiều tiêu chí để phân loại máy điện khơng đồng bộ:
1. Theo kết cấu của vở máy, máy điện KĐB chia thành các kiểu chính sau:
kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phịng nổ.
2. Theo kết cấu của rotor, máy điện KĐB chia thành hai loại: Loại rotor kiểu
dây quấn, loại rotor kiểu lồng sóc.
3. Theo số pha trên dây quấn stator: Một pha, hai pha và ba pha.
*Cấu tạo:

hình1.1Cấu tạo động cơ không đồng bộ
* Phần tĩnh (stator)
- Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngồi ra cịn có vỏ
máy và nắp máy.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang



ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình 1.1aStator máy điện khơng đồng bộ
a, Lõi thép:
Lõi thép stator có dạng hình trụ (hình1.1a), làm bằng các lá thép kỹ thuật
điện, được dập rãnh bên trong (hình 1.1a) rồi ghép lại với nhau tạo thành các
rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
b. Dây quấn stator:
Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt
trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn
ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.

hình1.1b: Dây quấn stator
c. Vỏ máy:
Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang (Hình1.1c) Có tác
dụng bảo vệ và cố định các bộ phận bên trong như dây quấn, trục máy, rotor.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình1.1c:vỏ máy
* Phần quay (Rotor)

- Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Rotor là phần
quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
a. 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 ngồi dập rãnh (hình 1.1d) đẽ đặt dây quấn, ở
giữa có dập lỗ để lắp trục.

Hình1.1d: Lõi thép rotor
b. Trục
Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

rotor.
c. Dây quấn rotor
Dây quấn rotor của máy điện khơng đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắn mạch
cịn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

Hình1.1e: Rotor lồng sóc
- Rotor lồng sóc (hình 1.1e) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong
rãnh và bị ngắn mạch bổi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây
quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vòng ngắn mạch, cánh tản
nhiệt và cánh quạt làm mát. Các 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 (hình1.1e) cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số
cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này ln ln đấu sao (Y) và có ba
đầu ra đấu. vào ba 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.
1.1.1. Tổng quan nguyên lý
Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f1 vào dây quấn stator, trong
dây quấn stator sẽ có hệ thống dịng 3 pha chạy qua, dịng điện này sẽ tạo ra từ
trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n1 = 60f1/p. Từ trường quay quét qua
các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng trong dây quấn một sức điện động.
Dây quấn rotor khép kín mạch (ngắnmạch) nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh
ra dòng điện chạy trong các thanh dẫn rotor. Lực điện từ do trường quay của
máy tác động vào dòng điện chạy trong thanh dẫn rotor, kéo rôto quay với tốc
độ n cùng chiều với từ trường quay và n < n1. Từ trường quay tốc độ n1 có
chiều thuận kim đồng hồ. Thanh dẫn chuyển động tương đối với từ trường tốc
độ n1 ngược chiều kim đồng hồ. Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều của
sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Mạch rotor nối tắt, trong thanh
dẫn có dịng điện trùng chiều với sức điện động. Theo qui tắc bàn tay trái, xác
định chiều của lực điện từ, tác động vào thanh dẫn (hình 5.11). Lực điện từ
cùng chiều với chiều quay của từ trường, rotor quay theo từ trường với tốc độ
n. Tốc độ rotor của máy n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc
SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 10


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất


độ bằng nhau thì khơng có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rotor
khơng có sức điện động và dòng điện cảm ứng, nên lực điện từ bằng không.
Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt
n2:
n2 = n1 – n (vg/ph)
Hệ số trượt của tốc độ là:
trong đó Ω1 = 2πn1 và Ω = 2πn là tốc độ góc của từ trường quay và của rotor.
Khi rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1; khi rotor quay định mức s =
0,02 ~ 0,05. Tốc độ động cơ là:
n = n1(1-s) = 60f1/p. (1-s) vg/ph
1.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
1.1.2.a. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
Kết quả phân tích trên cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp stato U1 đến các
thông số đầu ra của động cơ như dịng điện I1, I2, mơmen, tốc độ và dạng đặc
tính cơ điều chỉnh. Vì vậy từ các biểu thức ở trên về động cơ KĐB ta thấy
dòng điện động cơ phụ thuộc tỷ lệ với điện áp U1, mơmen tỉ lệ bình phương
với U1, cịn độ trượt tới hạn không thay đổi khi điều chỉnh điện áp:
Dịng điện ngắn mạch: Inm.U = Inm.U1 *
Mơmen ngắn mạch (khởi động): Mnm.U = Mnm.U1 *2
Mômen tới hạn: Mth.U = Mth.U1 *2
Độ trượt tới hạn: Sth = const
Trong đó, U1 * = U1/Uđm là giá trị tương đối của điện áp stato; Inm,
Mnm, Mth là các thông số tương ứng với các đặc tính tự nhiên của động cơ.

Hình 1.1.2aĐiều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện áp stato: a) Sơ đồ
nguyên lý; b) họ đặc tính cơ khi R0 = 0 (động cơ rơto lồng sóc); c) Họ đặc tính
cơ khi R0 ≠ 0 (động cơ rơto dây quấn).
1.1.2.b. Điều chỉnh điện trở rôto động cơ không đồng bộ
Có thể nêu một nhận xét tổng quát rằng: phương pháp điều khiển động cơ
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn


Trang 11


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

không đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ mạch rơto hồn tồn tương
đồng với phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng
điện trở phụ mạch phần ứng cả về dạng sơ đồ nối dây, họ đặc tính, các chỉ tiêu
chất lượng và ứng dụng.
a. Sơ đồ nguyên lý:
- Một hệ điều khiển 2 cấp điện trở phụ và họ đặc tính cơ như trên hình
1.1.2b. Theo kết quả phân tích ở phần trên khi Rf thay đổi ta có:
Mơmen tới hạn của động cơ:
Độ trượt tới hạn:
Tốc độ không tải lý tưởng: (2 f ) / p const 0 ω = π = ; trong đó R2t =
R2+Rf điện trở trong mạch rơto.

Hình1.1.2b1:Điều khiển động cơ khơng đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở
phụ trong mạch rôto; a) sơ đồ nguyên lý; b) họ đặc tính cơ
- Nếu truyến tính hóa đoạn đặc tính cơng tác trong phạm vi phụ tải từ 0 ÷
Mc= Mđm, ta có biểu thức gần đúng:
trong đó, sc độ trượt tại Mc = Mđm và cũng chính là độ sụt tốc tương đối ∆ ωc
* trên đường đặc tính đang xét với Mc = Mđm.
- Lúc đó, đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ khi Rf = var hồn tồn
trùng hợp với họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
điều chỉnh Rfư, với độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo:
Khi tăng điện trở phụ Rf, độ cứng đặc tính cơ βR giảm, do đó điều chỉnh được

tốc độ làm việc và mơmen ngắn mạch của động cơ.
b. Điều chỉnh tốc độ Do độ cứng của các đặc tính điều chỉnh thấp, nên sai số
tốc độ lớn, mômen quá tải nhỏ và dải điều chỉnh thường khơng vượt q 2:1.
Đặc tính mơmen q tải cho phép Mt.cp= f( ω ) của phương pháp điều chỉnh
tốc độ này có thể xác định khi chọn I2 = I2đm ta có:
SVTH: Nguyễn Phúc Đồn

Trang 12


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Như vậy đặc tính này cũng tương tự như của động cơ một chiều khi điều khiển
bằng điện trở phụ phần ứng, nghĩa là phương pháp điều chỉnh đang xét sẽ tích
hợp với loại phụ tải cần trục (mc = const). Để tăng chất lượng điều chỉnh,
người ta sử dụng một loại biến trở xung và một loại biến trở tự động có thể
điều khiển nhờ khóa đóng cắt bằng điện tử. Tuy nhiên sơ đồ gốc như trên hình
1.1.2b1 vẫn được ứng dụng để điều khiển các động cơ rôto dây quấn
1.1.2.c. Điều khiển công suất trượt
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB ba pha bằng
cách làm mềm đặc tính và để ngun tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất
trượt ΔPs = s.Pđt được tiêu tán trên điện trở mạch rôto. Ở các hệ thống TĐĐ
điện tử công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được
tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ
đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương
pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng điện
dùng thyristor như hình 3.21a). Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:
Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rotor được biểu diễn trên hình 1.1.2c

trong đó Pbđ là công suất được trả về lưới điện, ΔPbđ là tổn hao trong mạch
biến đỏi công suất trượt thành cơng suất điện có cùng tần số và điện áp lưới.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 13


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Hình1.1.2c: Hệ thống nối tầng van. a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ năng
lượng; c) Đồ thị dòng và áp khi fr = fs3; d) Đặc tính hệ điều chỉnh cơng suất
trượt.
Sức điện động rơto ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện
kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch
lưu (uA, uB, uC) có biên độ và tần số không đổi đo được xác định bởi điện áp
và tần số của lưới điện. Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển α thay đỏi từ
900 đến khoảng 1400 , phần cịn lại dành cho góc chuyển mạch μ và góc hồi
phục tính chất khố δ của van bán dẫn.
Độ lớn dịng điện rơtor phụ thuộc hồn tồn vào mơmen tải của động cơ
mà khơng phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu nghịch lưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc ta của dịng điện ở phía xoay
chiều của nghịch lưu khi điều chỉnh góc mở α. Qúa trình dịng điện và điện áp
của bộ biến đổi được mô tả trên hình 1.1.2c cho trường hợp độ trượt s = 1/3.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau và ta có Udr
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 14



ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

= Udn = Ud.
Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là
điện áp trên điện kháng lọc L.
1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha
1.2.1.Kái niệm:
Cũng như BBĐ xoay chiều-một chiều, trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều
ta cũng sử dụng các van bán dẫn có điều khiển. Vì vậy để cho BBĐ có thể làm
việc theo yêu cầu thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho các
van. Dù là sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac
thì trong một chu kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch
nhau một góc độ điện là 1800 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ
đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha. Do vậy về lý thuyết thì có thể sử dụng tất cả các
mạch phát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha để phát xung điều khiển
cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha,và mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh
lưu cầu 3 pha có thể dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay
chiều 3 pha.Tuy nhiên cũng cần lưu ý:
Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũng
quan trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm. Nhưng đối với BBĐ xoay
chiều-xoay chiều thì xung điều khiển các van, đặc biệt là của hai van song
song ngược trong cùng một pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị chỉ làm
việc được với nguồn cung cấp xoay chiều, ví dụ như các động cơ điện xoay
chiều hoặc các máy biến áp,..., địi hỏi có độ đối xứng rất cao. Đó là vì khi góc
điều khiển của 2 van trong cùng một pha khơng hồn tồn giống nhau thì trong
đường cong điện áp trên tải sẽ xuất hiện thành phần một chiều. Mặt khác tổng
trở phụ tải đối với thành phần điện áp một chiều là rất nhỏ do vậy thành phần

dòng một chiều qua tải sẽ rất lớn. Điều đó ảnh hưởng đến sự làm việc của phụ
tải và BBĐ, tăng tổn thất phụ và khi sự không đối xứng của tín hiệu điều khiển
vượt quá một giá trị nhất định nào đó (phụ thuộc trường hợp cụ thể) thì BBĐ
sẽ khơng làm việc được nữa.
1.2.2.1. Các mạch phát xung điều khiển đơn giản
1.2.2.1a. Mạch điều khiển dùng dioot-biến trở (D-R)
Ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển
dùng điơt-biến trở như hình 4.8.Trong sơ đồ này thì T1,T2 là 2 thyristor động
lực, mạch điều khiển các van của BBĐ gồm các điôt D1, D2, D3, D4, các diện
trở R1,R2 và biến trở WR.
- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 15


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Từ đặc tính V-A của tiristor ta thấy rằng: Khi giữa anôt và katôt của tiristor
đang được đặt một điện áp thuận nào đó, nếu ta đặt vào điện cực điều khiển
và katơt của nó một điện áp điều khiển có giá trị từ một trị số nhất định nào
đó trở lên thì tiristor sẽ chuyển từ khoá sang mở. . Giá trị điện áp điều khiển
nhỏ nhất có thể làm mở tiristor khi có một trị số điện áp thuận đ ược gọi
là điện áp điều khiển yêu cầu đối với trị số điện áp thuận đó và ta ký
hiệu là uđkTyc. Vậy khi trên van có một điện áp thuận nào đó thì nếu có
điện áp điều khiển uđk ≥ uđkTyc đối trị số điện áp thuận đó thì van sẽ mở,
cịn nếu có điện áp điều khiển nhưng uđk< uđkTyc thì van khơng mở. Điện

áp thuận trên van thay đổi thì giá trị uđkTyc cũng thay đổi theo: Điện áp
thuận trên van tăng thì giá trị điện áp điều khiển yêu cầu giảm,nếu điện
áp thuận trên van có dạng nửa hình sin thì đồ th ị u đkTyc có dạng như trên.
Để đơn giản cho việc xét nguyên lý làm việc của sơ đồ ta tạm giả thiết là
điện áp điều khiển yêu cầu không phụ thuộc vào trị số điện áp thuận
trên van (như hình 4.9b). Giả thiết như vậy tuy khơng phù hợp v ới th ực
tế nhưng không ảnh hưởng đến nguyên lý làm việc của sơ đồ nên có th ể
chấp nhận được trong trường hợp này. Ta chọn mốc xét ωt=0 là thời
điểm ung=0 và bắt đầu chuyển sang dương, giả thiết tải thuần trở. V ậy
tại ωt=0 thì dịng tải cũng bằng khơng, lúc đó van T2 vừa khố và T1 bắt
đầu có điện áp thuận, nếu T1 chưa mở thì qua D2-WR-R1-Rt (đã giả thiết
Zt=Rt) sẽ có một dòng điện do nguồn cung cấp tạo nên và dòng điện này
gây nên trên R1 một sụt điện áp mà điện áp này sẽ được đưa qua D 1 đến
điện cực điều khiển của T1. Vậy nếu bỏ qua sụt áp trên D1 mở thì ta có
uđkT1=uR1.
Từ đồ thị ta thấy khi ψ > ωt ≥0: uđkT1 < uđkTyc và T1 chưa mở, tại ωt=ψ
thì uđkT1= uđkTyc, van T1 bắt đầu mở và sẽ dẫn dòng cho đến ωt=π. Tại
ωt=π thì ung=0 và bắt đầu đổi dấu nênT1 khố lại ,van T2 bắt đầu được
đặt điện áp thuận,nếu T2 chưa mở thì lúc này qua tải (Rt)-D4-WR-R2 sẽ có
dịng điện do nguồn cung cấp tạo nên. Sụt điện áp trên R 2 bởi dòng điện
này sẽ được truyền qua D3 đến điện cực điều khiển T2 và nếu bỏ qua
điện áp trên D3 mở thì :
  uđkT 1 = u R1 = ung .R1 / ( R1 + WR + Rt ) »ung .R1 / ( R1 + WR )  vì  Rt << WR và Rt << R1.
 
  uđkT 2 = u R 2 = −ung .R2 / ( R2 + WR + Rt ) » − ung .R2 / ( R2 + WR ) vì Rt << WR và ut << R2 .

uđkT 2 » − ung .R1 / ( R1 + WR ) .

Mặt khác do R1=R2 nên
Vì vậy mà trong khoảng π+ψ>ωt≥π thì uđkT2< uđkTyc nên T2 vẫn chưa

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 16


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

mở,cho đến ωt=π+ψ thì uđkT2= uđkTyc và T2 bắt đầu mở và dẫn dòng cho
đến ωt=2π. Trong các chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương t ự. Cả 2 van
trong sơ đồ đều mở với một giá trị góc điều khiển là ψ như nhau. Từ
nguyên lý hoạt động đã nêu kết hợp với đồ thị hình 4-9 ta th ấy r ằng có
thể thay đổi góc điều khiển ψ bằng cách thay đổi biên độ của điện áp
tính theo biểu thức: ung.R1/(R1+WR) . Để thực hiện người ta thường thay
đổi giá trị biến trở WR. Với mạch điều khiển này thì góc điều khi ển t ối
đa ψmax=π/2. Như vậy mạch điều khiển nay không dùng được cho
trường hợp BBĐ làm việc với phụ tải thuần cảm (ngay cả nh ững tr ường
hợp điện cảm lớn thì cũng khơng nên sử dụng vì lúc đó phạm vi thay đ ổi
của góc điều khiển ψ rất hẹp.
1.2.3. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi

1.2.4. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi
*Các yêu cầu khởi động động cơ:
Đối với một động cơ, công việc mở máy cần đạt được các yêu cầu sau:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 17



ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

- Momentt mở máy càng lớn càng tốt hoặc đủ lớn để thích ứng với đặc tính
cơ của tải.
- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Tổn hao cơng suất trong q trình mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng nên đơn giản, rẻ tiền, chắc
chắn.
*Các phương pháp mở máy:
a/ Phương pháp “Khởi động cứng”:
- Mở máy trực tiếp thơng qua các thiết bị đóng cắt như: cầu dao, khởi động
từ ….
b/ Phương pháp “Khởi động mềm”:
- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều.
*Lựa chọn phương án:
So sánh ưu và nhược điểm của hai phương án khởi động động cơ không
đồng bộ trên, kết hợp với thời kỳ cơng nghiệp hóa hiện nay của nước ta và do
số liệu của động cơ, đề án này xin chọn phương án khởi động mềm để khởi
động cho động cơ mà cụ thể là phương pháp “Điều áp xoay chiều ba pha”
dùng 6 thyristor đấu theo kiểu song song ngược vì đây là phương pháp thơng
dụng nhất hiện nay và có giá thành thấp trong khi u cầu chì cần khởi động
mềm cho động cơ.
1.3. Đặt bài toán
-Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều 3 pha điều
khiển động động cơ xoay chiều 3 pha. Biết công xuất P=1,5 Kw, điện áp định
mức Ud=380 VAC, dòng điện định mức Id=3,72 A ; tốc độ định mức
nđm=1400 v/phút
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn


Trang 18


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực
2.1. Tính tốn, thiết kế mạch lực
a- Giới thiệu mạch lực:
- Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hay thay đổi điện
áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp
ra bằng tần số điện áp nguồn.
- ĐAXC dùng valve bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất
sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn
định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao,
kích thước gọn và dễ thay thế, thích hợp vớ q trình hiện đại hóa, tập trung
hóa các q trình cơng nghệ….
- Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải khơng sin
trong tồn dải điều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độ
méo càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao cũng càng lớn. Nhưng vì
phạm vi của đề án này là khởi động động cơ, thời gian khởi động chỉ trong
khoảng 3 ÷ 30s và tải là động cơ bơm nên ta có thể chấp nhận được phương
án này.
- Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên valve bán dẫn ở đây có thể
dùng là:
• TRIAC, đây là valve bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả
hai chiều. Tuy nhiên loại valve này thường có cơng suất nhỏ và giá thành
tương đối cao.

• Ghép hai valve chỉ cho phép dẫn một chiều bằng cách đấu song song
ngược nhau, lúc đó mỗi valve đảm nhận một chiều của dịng tải. Bằng
cách này có thể ghép hai thyristor với nhau hay một thyristor với một
diode. Trong đề án này, ta chọn theo phương pháp là ghép 6 thyristor
theo kiểu song song ngược và đây cũng là phương pháp thông dụng nhất
hiện nay.
- Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của valve bán
dẫn. Các valve làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng
điện áp nguồn và cũng chịu ảnh hưởng của lưới điện đến valve, kiểu điều
khiển valve là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là
sử dụng mạch điều khiển xung - pha.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 19


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

b- Hoạt động của mạch:
- Mạch hoạt động theo quy luật chung:
• Trường hợp 3 valve dẫn: Mỗi pha có 1 valve dẫn => Utải = Unguồn.
• Trường hợp 2 valve dẫn: Có 2 pha có valve dẫn và 1 pha không valve
nào dẫn => điện áp pha tải = ½ điện áp dây nguồn và có 1 pha khơng có
điện áp.
• Trường hợp khơng có valve dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (U tải =
0).
- Các trường hợp dẫn của valve phụ thuộc vào góc điều khiển α. Gồm 3
vùng điều khiển:

• 0o > α > 60o:

- Trong vùng này có hai trạng thái kế
tiếp nhau đó là 3 valve dẫn → 2 valve
dẫn. Giai đoạn 3 valve dẫn dài 60o ÷ α,
giai đoạn 2 valve dẫn bằng chính α.
- Góc dẫn của valve λ = (180 o – α),
valve ngắt khi điện áp pha nguồn = 0.

- Gía trị hiệu dụng của dịng điện
áp ra tải

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 20


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất

• 60o > α > 90o:

- Vùng điều khiển này ln chỉ có 2
valve dẫn và khơng phụ thuộc vào góc
điều khiển α.
- Valve trong cùng nhóm (chẳn hoặc lẽ)
thay nhau dẫn, valve sau mở thì valve
trước mới khóa lại. Lúc đó góc dẫn
của valve λ = 120o.

- Điện áp ra tải khơng cịn đoạn bằng
điện áp nguồn mà chỉ có thể = ½ điện
áp dây.
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

• 90o > α > 150o:
- Trong vùng điều khiển này có
2 trạng thái thay thế nhau là 2
valve dẫn và không valve nào
dẫn.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 21


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

- Valve không dẫn liên tục mà dẫn
thành 2 giai đoạn xen giữa một khoản
nghỉ.
- Valve ngắt dòng mỗi khi điện áp dây
nguồn về 0V.

Giá trị hiệu dụng của điện áp
ra tải

2.1.1. Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực
TT

6

Cơng suất
(kW)
2,2

Điện áp định
mức (VAC)
380

Dịng điện
định mức (A)
5,09

Tốc độ định
mức (v/phút)
1400

Dòng điện mỗi pha phụ tải:

Điện trở pha của tải :

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 22


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử cơng suất


-chọn van :
Chọn chỉ tiêu dịng van dựa vào trụ số trung bình (theo bảng 2.2 –h ướng
dẫn thiết kế điện tử cơng suất) ta có:
1,50435 (A)
Vậy cần chon thyristor với trị số dòng điện cỡ:

Chỉ tiêu điện áp ( bảng 2.2 ) :

Vậy chọn thyristor chịu được điện áp khoảng :
= 933,38 (V)
Từ các thông số trên ta chọn được van thyristor ( ph ụ lục 2 sách thiết
kế điện tử công suất ) T10-10 với thơng số :
Un

I tb

Ig

Ug

1200

10

3

(V)

(A)


0,07
5 (A)

(V)

Ir

3

du dt

di dt

t ph

200

40

70

(mA (V/ µs )
)

(A/

µs

)


(

µs

)

Hình 2.1 thơng s ố thyristor
-Ta có cách đấu của mạch lực này là 6 thyristor đấu song song ngược chiều
2.1.2. Tính tốn, lựa chọn các phần tử mạch lực
* Lựa chọn thiết bị bảo vệ

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 23


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Chọn độ dự trữ điện áp , điện áp tối đa cho phép đặt lên

Môn: Điện tử công suất

van khi

hoạt động là:

- Bảo vệ q dịng
Vì van được mắc trực tiếp vào lưới điện mà khơng qua biến áp do
đó cần phải có cuộncảm để bảo vệ cho van trong trường hợp quá

dòng. Tốc độ di/dt sẽ lớn nhất khi dòng qua van là cao nh ất. Gi ả
sử điện áp lưới không ổn định mà dao động trong khoảng ±10%,
vậy lúc này sẽ tương đương:
= (v)

Hình 2.2 : mạch bảo vệ dịng thyristor
-

Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua

thyristor
Tốc độ tăng dòng cho phép phụ thuộc vào điện áp đặt lên van và chỉ đúng với
trị số tra cứu nếu điện áp trên van khi làm việc nhỏ hơn 67% điện áp lớn nhất
cho phép. Trường hợp này điện áp lớn nhất khi làm việc
342,2 (v) điện áp tối đa được đặt trên van 1200 (v) có quan
hệ là :

Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt= 40 (A/s)
Từ đó ta có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng :
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 24


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suất

Ta chọn đc La = 10
- Bảo vệ quá áp


Hinh 2.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor
Hệ số quá áp khi làm việc:
Tra đồ thị 1.22 với k = 2,34 có C* = 0,13;
Dịng qua tải, cũng chính là dịng qua van, có giá trị tức thời lớn nhất bằng:
- Suy ra tốc độ giảm dịng nhanh nhất khi van khóa lại:
)
- Dùng đồ thị hình 1.28 sách hướng dẫn thiết kế điện tử cơng suất, ta có điện
tích tích lũy trong van là: Q=45Avậy:
- Tụ C
Chọn C =0,99nF
Tính R

Vì , cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 4
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 25