Đề bài
ĐỀ 6:
Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ.
Yêu cầu :
Thiết kế mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều .
Điện áp 380V;công suất 50KW
+, Giới thiệu công nghệ
+, Tính mạch công suất
+, Thiết kế mạch điều khiển.
Sinh viên thực hiện :
Nguyển Tiến Dũng
BÀI LÀM
Công nghệ điều khiển
Trong các loại động cơ phục vụ cho các ngành công nghiệp hiện nay thì
động cơ không đồng bộ là động cơ là động cơ được sử dụng rộng rãi nhất.Với
công suất từ vài KW đến hàng nghìn KW:ví dụ
Trong công nghiệp cán thép dùng làm máy cán thép loại vừa và
nhỏ,động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…
+, Trong hầm mỏ dùng làm máy tời,các quạt gió
+,Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm,máy gia công sản xuất
+, Trong đời sống hàng ngày,động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm
những vị trí quan trọng,nổi bật hơn so với động cơ 1 chiều như: quạt gió,động
cơ trong tủ lạnh… bởi vì nó có những nổi bật hơn hẳn so với các loại động cơ
đồng bộ,1 chiều,đó là:
Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc chắc chắn ,vận hành tin
cậy chi phí vận hành và bảo trì sửa chữa thấp, hiệu suất cao, giá thành hạ. Động
cơ không đồng bộ sử dụng trực tiếp nguồn điện 3 pha từ lưới điện nên không tốn
thêm các chi phí phụ cho các thiết bị biến đổi.
Tuy nhiên động cơ này cũng có những nhược điểm riêng đó là dòng
khởi động của động cơ khi khởi động thường lớn ( từ 4 đên 7 lần dòng định
mức). Dòng điện quá lớn không những làm động cơ quá nóng mà còn gây sụt áp

U
2
2
2
'
1
1
+










+
= I
2ng
=
( )
2
2
'
21
1
ng
XRR









+








+
2
2
'
2
11
'
2
2
11

ng
X

2
lần, còn dòng I
kđ
sẽ giảm k
2
lần, với k là hệ số máy biến áp. Phương pháp này
cồng kềnh, tốn kém nên ít sử dụng.
- Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y-
∇
: phương pháp này thích ứng
với những máy khi làm việc bình thường thì đấu tam giác, khi mở máy thì đấu
hình sao.Phương pháp này cần những cơ cấu chuyển đổi đấu nối, thông số về
cuộn dây, số cặp cực nên phức tạp, có thể phát sinh tia lửa điện trong quá trình
đảo đấu nối. So với khởi động trực tiếp thì khi khởi động đổi nối thì dòng điện
và mômen khởi động cũng giảm đi 3 lần.
- Khởi động bằng cách giảm dần điện trở phụ mắc nối tiếp vào mạch Rôto
khi khởi động (chỉ dùng cho rôto dây quấn ) Ưu điểm là vừa giảm được dòng
khởi động, vừa tăng được mômen khởi động.Phương pháp này cũng khá phổ
biến nhưng tổn thất sẽ rất lớn, và hay xảy ra tia lửa điện với những động cơ công
suất lớn.
- Khởi động bằng cách dùng các động cơ đặc biệt như: Rôto rãnh sâu,
Rôto rãnh kép.
- Dùng các bộ khởi động bán dẫn công suất (khởi động mềm) cụ thể ở đây
là dùng biến tần và Thyristor,transistor công suất
*) Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp trên:
5 phương pháp trên có thể hạ điện áp trong quá trình khởi động, tuy
nhiên hoặc là ta phải có thêm các cơ cấu để cắt chúng ra khỏi mạch điện, hoặc là
vẫn dùng nhưng không có mấy tác dụng.Và phần lớn các phương pháp đều gây
tổn hao lớn, và điều khiển thiếu linh hoạt, thụ động hiệu quả không cao khi
muốn có thêm các thay đổi trong việc điều chỉnh. Và với phương pháp 5 thì lại

ϕ
(s).
- Do tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm nên nếu trong khoảng
thời gian
θ
<
ϕ
mà đặt xung điều khiển vào các Thyristor thì các thyristor chỉ
dẫn dòng ở thời điểm
θ
=
ϕ
trở đi, thì ta không điều chỉnh được điện áp vì điện
áp sẽ không phụ thuộc vào góc mở
α
. Vì vậy ta chỉ điều chỉnh được điện áp nếu
góc mở
α
>
ϕ
.
- Khi
α
>
ϕ
thì tùy thuộc vào giá trị tức thời của các điện áp dây mà sẽ
có lúc 3 van trên 3 pha khác nhau dẫn dòng, hoặc 2 van trên 2 pha khác nhau
dẫn dòng:
+ Nếu có 3 van ở ba góc khác nhau dẫn dòng :
a

c
b
a
Khi đó dòng tải :
i =
Z
U
đm
2
sin(
ϕθ
+
)
Tùy thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có 3 van dẫn hoặc 2 van
dẫn xen kẽ như đồ thị sau:
Trường hợp
α
= 60
0
thì có những đoạn có 2 hoặc 3 van cùng dẫn xen kẽ
nhau trên đồ thị dưới đây:
Trường hợp
α
= 60-90
0
thì chỉ có giai đoạn 2 van dẫn mà thôi:

class="bi x5 yc7 w13 h1f"
Chương II: Mạch động lực
I.Tính toán chọn van:

2
380 = 537,4(V)
Dòng trung bình lớn nhất qua van: do dòng trung bình lớn nhất qua van
là không sin nên ta phải lấy tích phân chuỗi Fourie thành phần bậc nhất do động
cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc có thể coi là tải trở cảm đấu theo hình sao
nên ta phải có được U
d
, I
d
, góc lệch pha
ϕ
giữa dòng điện và điện áp :
Ta giả sử ta có các thông số như sau cho động cơ :
P
đc
= 50KW
U = 380V/ 50Hz
Cos
ϕ
=0,85
n = 1500v/phút

η
= 0,9
Nhận xét : khi góc điều khiển
α
=0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy,
dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định được giá
trị dòng điện trung bình qua van.
I

θ−−θ+π−
π
=
I =
ϕ
cos3
1
dm
U
P
=
ϕη
cos3
2
dm
U
P
=
85,0.380.39,0
10.50
3
= 99,3(A)
I
max
=I
2
=99,3.
2
= 140,4 (A)
 I

Để chọn điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ
điện áp k
u
= 1,6 -2 , mục đích là để van có thể chịu thêm được một lượng điện áp
ngược gấp 2 lần giá trị định mức có thể chịu được, phòng trong những trường
hợp quá áp, hay sự cố.
Ta chọn K
u
= 2
U
ng
= k
u
.U
ngmax
= 2.380.
3
= 1075(V)
Từ các giá trị I
tb
và U
ng
ta chọn trên thị trường được van C501 có các
thông số sau:
U
ng
= 700 -1700 (V)
I
tb
= 200 (A)

max =
L
U
f
Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn tốc độ biến thiên của dòng
điện nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, ta sẽ phải chọn L sao cho
dt
di
max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay:
dt
di
max < 1000A/
s
µ

L
U
f
< 1000A/
s
µ
 L >
6
10.1000
f
U
=
6
10.1000
2220

R
Thông số của R, C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc
độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, từ hóa lõi
thép của máy biến áp… Việc tính toán thông số của mạch RC rất phức tạp, đòi
hỏi nhiều thời gian do đó ta chọn phương pháp đồ thị, sử dụng những đường
cong có sẵn.
Các bước xác định như sau:
- Xác định các hệ số quá áp theo công thức:
k =
m
mp
Ub
U
.
Với U
mp
là giá trị cực đại cho phép của điện áp ngược đặt trên thyristor
hoặc Điốt một cách không chu kì, ta tra trong sổ tay.
U
m
là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên Điốt hoặc
thyristor.
b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp ( b= 1-2)
Xác định các thông số trung gian:
min
*
C
(k),
max
*

Q
LU
R
imim
22
*
max
*
min
≤≤

Trong đó L là điện cảm của mạch RLC.
Tuy nhiên trong thực tế rất khó có các đường cong đặc tính cần thiết nên
người ta thường chọn theo kinh nghiệm :
Chọn R = 20 -100(
Ω
) ; C= 0,4 – 1 (
F
µ
)
Với dòng qua van nhỏ ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ. Với dòng qua van lớn
ta chọn R nhỏ, C lớn.
Theo tính toán dòng qua van bằng 38A là giá trị dòng trung bình nên
ta chọn : R = 50 (
Ω
)
C = 0,4 (
F
µ
)

- Đủ biên độ U
x

- Đủ độ rộng t
x
Xung điều khiển thường có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung
thường từ 20
s
µ
đến 100
s
µ
. Các thông số liên quan đến hình dạng một xung
điều khiển được minh họa trên hình vẽ:
b, Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển
Trong sơ đồ điều khiển các thyristor ở đây thì độ lệch cho phép của các
xung khác nhau phải ở trong một phạm vi cho phép với cùng một giá trị điện áp
điều khiển.
c, Đảm bảo cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực
Đối với khâu biến áp xung, thường được sử dụng như một khâu truyền
xung cuối cùng ở tầng khuếch đại xung, điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và thứ
cấp phải đạt 1500V – 2000V khi sơ đồ làm việc với điện áp lưới 3x380VA.
d, Đảm bảo đúng quy luật thay đổi về pha của các xung điều khiển
Đây là yêu cầu để đảm bảo phạm vi điều chỉnh của góc điều khiển
α
.
Thông thường đối với sơ đồ biến đổi xung áp xoay chiều góc
α
phải thay đổi
trong phạm vi 0

®c
U
60%U
®m
=
0
t
U
(1-3s)
t
k®
t
0
Để thực hiện điều này ta phải dùng một khâu sau:
Start
D1
D2
Rx
C1
+E
-E
R4
U
R3
-E
+E
R1
R2
_
+

II.Phân tích hoạt động:
Khi chưa đóng công tắc U
đk
= U
đk0
trong đó U
đk0
là điện áp điều khiển
ứng với U
đc
= 60%U
đm

Khi đóng công tắc thì U
d
= -E:
Ta có –U
dk
=
∫
C
1
I
c
dt =
∫
C
1
x
d


Sau đó U
đk
sẽ tăng dần và
α
giảm dần thì U
đc
sẽ tăng dần.
Vậy nhờ khâu trên ta đã thự hiện được yêu cầu đề ra cho công việc khởi
động.
Cấu trúc của một mạch điều khiển như sau:
Uc
Urc
D2
D2
4
3
21
§F
M
Trong đó:
- ĐF : khâu tạo điện áp đồng pha
- Urc: điện áp răng cưa
- Uc : điện áp điều khiển
- Khâu 1: khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc, khi Uc-Urc =0 thì Triger
chuyển trạng thái.
- Khâu 2:khâu tạo xung chùm
- Khâu 3 :khâu khuếch đại xung
- Khâu 4: khâu biến áp xung.
Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh được vị trí xung điều

dùng làm điện áp đồng của pha a, b, c tương ứng:
u
z1
= U
m
.sin(
θ
+
3
π
); u
z3
= U
m
.sin(
θ
-
3
π
); u
z5
= U
m
.sin(
θ
-
π
);
u
z2

rộng, công suất. Một trong những nhiệm vụ cơ bản của KĐX là cách ly giữa
mạch động lực và hệ thống điều khiển.
Khối khuếch đại xung có tác dụng tăng dòng từ cổng AND đi ra( dòng
từ cổng AND đi ra thường nhỏ) sau đó đi qua BAX để tạo được dòng điều
khiển I
2
, áp điều chỉnh U
2
có biên độ thích hợp để mở thyristor.
Khâu BAX là loại biến áp đặc biệt trong đó điện áp đặt lên phía sơ cấp
có dạng xung hình chữ nhật mà không phải một điện áp hình sin. Điều này dẫn
đến chế độ làm việc và tính toán BAX rất khác so với các biến áp thông thường.
Sơ đồ của một máy BAX:
BAX
R
Dz
D1
T1
R1
Un
D2
D4
K
G
BAX
b, Hoạt động:
Sơ đồ một khóa Transistor T1 được điều khiển bởi một xung có độ rộng
t
x
. Khi T1 mở bão hòa gần như toàn bộ điện áp nguồn U

Dz
).
Điện trở R mắc nối tiếp giữa nguồn và biến áp xung có tác dụng hạn chế
dòng từ hóa BAX. Điện trở R được tính để đảm bảo dòng qua transistor T1
không bao giờ vượt quá dòng C lớn nhất cho phép.
c, Tính toán cụ thể cho sơ đồ:
Với các thông số I
G
= 0,2A
U
GK
= 5V
t
x
= 100
µ
s
Ta có:
Diện tích xung điều khiển U.t
x
=5.100 = 500(V.
µ
s). Với dòng điều
khiển yêu cầu I
G
= 0,2A theo bảng tra ta có thể chọn loại BAX là loại IT235 với
2 cuộn dây, có tỷ số máy biến áp 1:1, điện cảm Lp = 3mH.
Dòng sơ cấp BAX : I
1
= I

D
= 5+1=6V
Vậy I
max
µ
=(6.100.10
-6
)/(3.10
-3
) = 200.10
-3
= 0,2(A).
I
Lmax
=(30-6)/0,4 = 60 (
Ω
).
Theo sơ đồ tính toán thì transistor phải chọn loại có dòng I
cmax
> 0,4A và
hệ số khuếch đại dòng
β
=100. Khi đó dòng điều khiển Bazơ sẽ là 4mA là phù
hợp.
Chọn điốt ổn áp Dz với U= 12V, khi đó U
cmax
=30+12+1=43(V).
Chọn transistor T loại ST603 có các thông số cơ bản sau:
U
CE

Điện áp ra : E = 15V
Và IC UA7915 có điện áp ngưỡng =-40V
Dòng điện ra I
0
= 1,5A
Điện áp ra : -E = -15V
• Chọn tụ lọc phẳng C1 = 1000
µ
F ;
• C2 = 500
µ
F ;
• C3= C4 = 100
µ
F
Chọn tụ lọc nhiễu C5 = C6=0,1
µ
F
Chọn các điốt loại D-1001 có các thông số I
tb
= 800mA
U
ng
= 100V.
4.Khâu tạo điện áp răng cưa:
Do yêu cầu của điện áp xoay chiều ba pha trong mạch để khởi động
động cơ không đồng bộ ba pha thì mạch phải có chất lượng càng cao càng tốt,vì
tính đồng bộ của các điện áp điều khiển rất cao.
Mạch tạo tín hiệu răng cưa dùng khuếch đại thuật toán sẽ cho độ tuyến
tính của sườn răng cưa tốt hơn.Độ ổn định của sơ đồ này rất cao tốt nhất so với

Chọn U
DZ
= 6V, chọn điện trở R
2
sao cho dòng qua tụ C trong khoảng
1ms đạt đến giá trị U
DZ
của điốt ổn áp.
Nếu dòng qua tụ có giá trị không đổi điện áp trên tụ thay đổi theo quy
luật tuyến tính U
C
=
C
I
C
t , do đó
C
U
C
=
t
U
C
=
3
10
6
−
= 6.10
3

3
(
Ω
)
Chọn R
5
= 8,2 (K
Ω
)
Khi U
II
> 0  D
s
khóa  U
ra
= 0 tụ C sẽ phóng điện về âm nguồn của
OP
2
. Dòng qua tụ bằng dòng qua điện trở R
x2
và R
4
, thời gian phóng còn lại sẽ là
9ms nên ta phải chọn giá trị dòng điện sao cho tụ C phóng điện về đến 0V sau
đúng 10,67ms.
Trong khoảng thời gian này điện áp trên tụ C thay đổi theo quy luật:
U
C
= U
Co

10.67,10
6.10.22,0
−
−
= 0,214.10
-3
(A)
Vì : I
C
=
42
RR
U
x
II
+
 R
x2
+ R
4
=
RR
U
x
II
+
2
=
3
10.124,0

15V; U
dF
=
+
30V; K
0
= 5.10
6
; P
1
=100mW
[t] = 55-125
0
C ; I
ra
=
+
25mA; E
n
=
+
15V ; Z
ra
= 60
Ω
; Z
vao
=300k
Ω