ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Mục lục
Chương 1
Trang: 1
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp
cũng như trong đời sống nhân dân. Sở dĩ như vậy là động cơ không đồng bộ
có nhiều ưu điểm vượt trội so với những động cơ khác như cấu tạo, vận hành
đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn…Nhưng nhược điểm lớn nhất của
động cơ này là việc điều khiển tốc độ rất khó khăn và đặc tính điều chỉnh
không được như ý muốn. Do nhược điểm này mà trong thời gian trước đây,
người ta ít sử dụng các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ mà chủ yếu sử dụng các hệ truyền động một chiều.
Trước thực tế đó, cùng với sự phát triển của nghành điện tử bán dẫn công
suất, các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đã ra
đời và trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với các hệ truyền động
động cơ một chiều.
Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ dựa vào dựa vào việc ứng
dụng các thiết bị điện tử công suất, nhưng trong đồ án này chỉ đưa ra xem xét
hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc
bằng bộ điều chỉnh pha. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng
bộ 3 pha
Chương 2: Tính chọn mạch công suất
Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển
Trang: 2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ
CÔNG NGHỆ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3
PHA

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Động cơ không đồng bộ có 2 loại chính là động cơ không đồng bộ roto dây
quấn và động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Động cơ roto dây quấn chỉ áp
dụng cho tải có công suất lớn và cần điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh tốc độ và
mở máy bằng điện trở phụ). Còn đối với các loại tải trung bình và nhỏ, người
ta thường sử dụng loại động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và mở máy trực
tiếp.
a, Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha
Cũng giống như các máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ 3 pha
cũng gồm các bộ phận chính sau:
_Phần tĩnh (stato)
_Phần quay (roto)
*Stato:
Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn
_Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato. Vỏ có
dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để
đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn. Các máy có công suất bé thì
thường là vỏ bằng nhôm, còn các máy có công suất lớn và trung bình thì vỏ
máy làm bằng gang.
_Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với
nhau ( nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng. Mặt trong của lõi
thép được dập các rãnh để đặt cuộn dây stato.
_Dây quấn stato: Được quấn thành các mobin, mà cạnh của mobin đó được
đặt vào lõi thép stato .Các mô bin được cách điện với nhau và cách điện với
lõi thép.
*Roto:
Gồm lõi thép, trục máy và dây quấn
_Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt
ngoài các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được đục lỗ
tròn để lồng trục máy. Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành hình

0
điện . Lúc
ấy trong máy sẽ hình thành từ trường quay, quay với tốc độ đồng bộ:
n
đb
=60f/p (v/p)
Trong đó: f_ tần số nguồn điện cấp cho động cơ
p_ số đôi cực từ của động cơ
Từ trường quay của stato quét qua các thanh dẫn roto làm cảm ứng trong
các thanh dẫn một suất điện động. Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện
động có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Vì roto luôn kín mạch
nên suất điện động này sẽ tạo ra dòng xoay chiều i
R
chạy trong dây quấn roto ,
dòng i
R
lại tạo ra từ trường trong roto hợp với từ trường quay tạo thành từ
trường trong khe hở (giữa roto và stato) .
Dòng i
R
chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường nên bị tác động một
lực điện từ có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Hợp các lực này
tạo thành momen quay tác động lên dây quấn roto làm cho roto quay theo
chiều của từ trường quay.
Tốc độ của roto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ của từ trường quay để có sự
tác động tương đối giữa các thanh dẫn với từ trường quay stato, nếu như roto
quay đến tốc độ đồng bộ thì trong roto sẽ không tồn tại dòng cảm ứng nữa.
Do tốc độ của động cơ không bao giờ bằng tốc độ đồng bộ nên gọi là động cơ
không đồng bộ.
Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến nhưng các

Thiết bị có tính năng bảo vệ tùy chọn như quá tải, thất thoát pha đầu vào,
thất thoát pha đầu ra, xử lý quá dòng, sụt dòng, điện áp quá mức và giảm
áp
Bền vững, tiết kiệm không gian lắp đặt
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Trang: 7
T
ÑF SS & TX-KÑ
TXC
Hình 4.1: Sơ đồ các khâu cơ bản của mạch điều khiển
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
3.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ khối
Điều khiển Tiristor trong mạch điều áp hiện nay thường dùng theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến
tính. Nội dung của phương pháp này như sau:
Khi điện áp xoay chiều hình sin được đặt vào Anot của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở α
của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot ta cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác gọi là điện áp
răng cưa. Điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anot.
Để điều khiển được góc mở α của Tiristor ta dùng một điện áp điều khiển U
đk
so sánh với điện áp
tựa. Tại thời điểm U
đk
=U
RC
thì phát xung điều khiển .Tiristor được mở từ thời điểm phát xung đến
cuối bán kỳ ( hoặc tới khi dòng qua Tiristor bằng 0).
Mạch điều khiển Tiristor thường có các khâu cơ bản:
- Khâu đồng pha: ( ĐF) nhằm tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính có pha trùng với pha điện áp
Anot của Tiristor.
- Khâu so sánh (SS): khâu này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm

3
0
u
Hình 4.2 Sơ đồ khâu đồng pha dùng điôt và tụ
urc
r2
tr
d2
r1
u1
a
*
*
c
d1
u
ung
ut
1
2
3
0
r3
Hình 4.3: Sơ đồ dùng tranzitor và tụ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1. Chọn khâu đồng pha
a. Khâu đồng pha dùng điot và tụ

Hình 4.5: Dạng điện áp răng cưa của sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nguyên lý: Ở nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, điện thế bazo của tranzitor dương nên tranzitor tr
bị khóa, do đó tụ c được nạp điện qua R
1
, R
2
bởi nguồn 1 chiều. khi điện áp nguồn chuyển sang nửa
chu kỳ âm thì D
1
bị khóa lại, Tr được mở thông và và tụ C phóng điện qua R
3
và Tr. Để đảm bảo sườn
sau của tín hiệu răng cưa có độ dốc lớn thì R
3
phải có giá trị nhỏ (để giảm thời gian phóng t
f
= R
3
.C ) ,
người ta nối song song với R
3
diod D
2.
.
giá trị điện áp răng cưa U
rc
=
t
RR

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nguyên lý : ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng pha, điện áp ra của a
1
có dạng xung dương
hình chữ nhật , điốt d được thông có tín hiệu đưa vào khâu tích phân đảo A
2.
ở

nửa chu kỳ dương của
điện áp đồng pha , thì điện áp ra sau A
1
là âm do đó điốt D bị khoá , còn T thông và tụ điện c được xả
ngắn mạch qua T. Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình răng cưa như hình vẽ.
Đặc điểm của sơ đồ dùng OA là gọn nhẹ, dạng xung răng cưa có chất lượng cao, đảm bảo
đồng pha với điện áp nguồn, do đó tạo điều kiện mở tiristor một cách chính xác, dễ đối xứng ở các
kênh điều khiển. Sơ đồ ưu việt hơn hẳn các sơ đồ trên về các chỉ tiêu kỹ thuật. do đó ta chọn sơ đồ này
khâu đồng pha cho mạch điều khiển.
2. Chọn khâu so sánh
Khâu so sánh có chức năng là xác định thời điểm phát xung bằng cách so sánh hai hoặc nhiều
tín hiệu theo nguyên tắc: Khi có tín hiệu bằng nhau hoặc tổng đại số các tín hiệu đổi dấu thì khâu so
sánh phát ra xung điện áp điều khiển tiristor. Ta có thể thực hiện cộng tín hiệu bằng hai phương pháp
hoặc nối tiếp hoặc song song. Qua nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy rằng so sánh nối tiếp có độ
chính xác cao hơn, nhưng nhiều kênh điều khiển mà chỉ muốn có một điện áp điều khiển, thì rất có thể
có khả năng nhiễu từ kênh này sang kênh kia. Do đó phương pháp này chỉ nên dùng khi điều khiển
một tiristor. Phương pháp so sánh song song cho độ chính xác không cao bằng nối tiếp nhưng có thể
cộng nhiều tín hiệu đồng thời mà không gây nhiễu. Các phần tử chủ yếu của khâu so sánh thường
dùng tranzitor hoặc OA.
a. Sơ đồ dùng tranzitor

Trang: 11

rc
± U
đk
, hiệu này có một vùng điện áp
nhỏ hàng mV, làm cho tranzitor làm việc ở chế độ đóng cắt không như ta mong muốn. do đó có khi
làm cho thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở.
b.Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán (OA).
a . loại 2 cổng vào b . loại 1 cổng vào
Hình 4.7: Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán
Sự thay đổi cực tính điện áp ra xảy ra khi xuất hiện sự cân bằng giữa U
rc
và U
đk
(điện áp so sánh
qua trị số 0). Nếu cả điện áp đồng pha và điện áp điều khiển thay đổi cực tính thì đặc tính ra sẽ đảo
ngược lại .
Mạch so sánh dùng oa có ưu điểm là độ chính xác, độ tác động nhanh cao, khả năng trôi điểm 0
nhỏ, thời gian quá độ ngắn. Đây là những ưu điểm nổi bật so với sơ đồ dùng tranzitor.
3. Chọn khâu khuếch đại
Tầng khuếch đại cuối cùng có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, nó thường thiết kế
bằng Tranzitor công suất mắc theo sơ đồ như hình vẽ:
Trang: 12
A
C
R1
R2
R3

mục đích nâng đường điện áp U
c
lên trên trục hoành để so sánh với U
đk
có giá trị âm nằm dưới trục
hoành.
Hai khuếch đại thuật toán A
4
và A
5
được mắc thêm vào để đảm bảo cho hai tiristor T
1
và T
2
không mở đồng thời mà mỗi tiristor chỉ mở trong một nửa chu kỳ của điện áp đồng pha.
Trang: 13
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Biến áp đồng pha là biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt nhau để đảm bảo
không gây mất đối xứng khi điều khiển hai tiristor.
Sơ đồ một pha được biểu diễn như trên hình 4.10
Trang: 14
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Trang: 15
Hình 4.10: Sơ đồ mạch điều một pha của sơ đồ điều áp 3 pha
VA
UE
Uf
XT1
XT2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

tìm thời điểm U
rc
= U
đk
. Tại các thời điểm U
rc
=U
đk
khuếch
đại A
3
lật dấu điện áp ra ta có U
d
như hình vẽ.
Điện áp U
d
được đưa tới cổng và VA cùng với tín hiệu chùm xung liên tục lấy từ bộ tạo xung chùm. Đầu
ra của VA sẽ có chùm xung U
d
>0. Cổng và V
1
sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và V
F
>0. Lúc đó
biến áp xung baxx
1
có xung điều khiển T
1
, cổng và V
2

.
3.4. Tính toán các khâu điều khiển cơ bản
Sơ đồ một kênh điều khiển của bộ điều chỉnh pha được thiết lập theo sơ đồ hình IV.11
Để tính toán mạch điều khiển ta tiến hành tính ngược từ tầng khuếch đại trở lên.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở tiristo. các thông số cơ bản để tính
mạch điều khiển.
+ điện áp điều khiển tiristo: U
dk
= 2,5 (V)
+ dòng điện điều khiển tiristo: I
dk
= 0,2 (A)
+ thời gian mở tiristo: t
m
= 40 (µs)
+ độ rộng xung điều khiển t
x
= 167 (µs)- tương đương 3
o
điện.
+ tần số xung điều khiển: f
x
= 1/t
x
.2 = 3 (KHz).
+ độ mất đối xứng cho phép ∆α=4
0
+ điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U= ±12 (V )
+ mức sụt biên độ xung: S
x

2
/m = 0,2/3=0,066(A)
+ độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
)(10.8
.
3
0
m
H
H
B
tb
=
∆
∆
=
µ
µ
trong đó:
µ
0
=1,25.10
-6
(h/ m) là độ từ thẩm của không khí
thể tích của lõi thép của lõi thép cần có:
V= q.l = (µ
tb
. µ
0
. t


.

a = 4,5 mm; b = 6 mm;
d = 12 mm; D = 21 mm .
q = 0,27 cm
2
= 27 mm
2

chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 (cm)
+ số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
theo định luật cảm ứng điện từ:
Trang: 18
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
U
1
= w
1
. q. db/dt = w
1
. q. ∆b/t
x
do đó:
QB
tU
W
.
X1
1

+ đường kính dây quấn sơ cấp: d
1
=
π
14S
= 0,1189 (mm)
chọn d = 0,12 (mm)
+ tiết diện dây quấn thứ cấp: s
2
= i
2
/ j
2
= 0,1/4 = 0,05 (mm
2
)
chọn mật độ dòng điện j
2
= 4 (A/ mm
2
)
+ đường kính dây quấn thứ cấp: d
2
=
π
2S4
= 0,2532 (mm)
chọn dây có đường kính d
2
=0,27 (mm)

2
22
=
+

như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết.
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng
chọn tranzitor công suất loại t
r3
loại 2sc9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số:
Trang: 19
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
tranzitor loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si .
điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: U
cbo
=40(V)
điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: U
ebo
=4(V)
dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : I
cmax
= 500 (mA).
công suất tiêu tán ở Colecto : P
c
=1,7 (W)
nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : t
1
=175
0
c

R
10
= (E-U
1
)/I
1
= 68,18 (Ω)
chọn R
10
= 70 (Ω)
tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1n4009 có tham số:
+ dòng điện định mức : I
dm
= 10 (A)
+ điện áp ngược lớn nhất : U
n
= 25 (V),
+ điện áp để cho điôt mở thông : U
m
= 1 (V)
3. Chọn cổng AND
Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng and nên ta chọn hai IC 4081 họ cmos. mỗi IC 4081 có 4 cổng
AND, các thông số:
nguồn nuôi Ic: V
cc
= 3÷9 (V), ta chọn: V
cc
= 12 (V).
nhiệt độ làm việc: - 40
o

9

8

1

2

3

4

5

6

7

H×nh 4.13: S¬ ®å ch©n IC 4081
4. Chọn tụ C
3
và R
9
Điện trở R
9
dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor I
r3
, chọn R
11
thoả mãn điều

Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại tl 084 do hãng
texas instruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán, thông số của tl084:
điện áp nguồn nuôi : V
cc
= ± 18 (V) chọn V
cc
= ± 12 (V)
hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V)
nhiệt độ làm việc : t = -25÷ 85
0
c
công suất tiêu thụ : p = 680 (mW) = 0,68 (W)
tổng trở đầu vào : R
in
= 10
6
( mΩ)
dòng điện đầu ra : I
ra
= 30 ( Pa).
tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 (V/µs)
Trang: 21
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTH×nh 4.14: S¬ ®å ch©n IC TL084
13

1


-

+

+

+

+

U

cc

mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2f
x
= 3 ( KHz) hay chu kỳ của xung chùm
t= 1/f = 334 (µs); ta có: t= 2. R
8.
C
2
. ln(1+2. R
6
/ R
7
)
chọn R
10
= R
11

= 12 (kΩ)
trong đó nếu nguồn nuôi V
cc
=± 12 (V) thì điện áp vào A
3
là U
v
≈12 (V).
dòng điện vào được hạn chế để I
lv
< 1 (mA).
do đó ta chọn R
4
= R
5
= 15 (kΩ) khi đó dòng vào A
3
:
I
vmax
= 12/ (15. 10
3
) = 0,8 ( mA)
7. Tính chọn khâu đồng pha
Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C
1
,

mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa
chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được t

điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch emito: U
cbo
=25(V)
điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colecto: U
ebo
=7(V)
dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng : I
cmax
= 100 (mA).
nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : t
cp
=150
0
c
hệ số khuếch đại : β =250
dòng cực đại của bazơ : I
b3
=I
c
/β =100/250 =0,4(A)
điện trở R
2
để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito Tr
l
được chọn như sau:
chọn R
2
thoả mãn điều kiện: R
2
≥ U

= 9 (kΩ)
chọn R
1
= 10 ( kΩ).
8. Tạo nguồn nuôi
Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi iIC, các bộ điều chỉnh dòng
điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ.
Trang: 23
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

b

C

.

0

c

7912

.

C7

C6

-12V


hình 4.15: sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi
Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U
2
=12/2,34
= 5,1(V) ta chọn U
2
= 6(V)
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung
của vi mạch này:
điện áp đầu vào: U
v
= 7÷35 (V).
điện áp đầu ra: U
ra
= 12(V) với IC 7812.
U
ra
= -12(V) với IC 7912
dòng điện đầu ra: I
ra
= 0÷1 (A).
tụ điện C
4
, C
5
dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao.
chọn C
4
= C
5

-3
= 0,036 (W)
5.Công suất tiêu thụ ở 6 IC tl 084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán ta chọn hai IC tl 084 để tạo
6 cổng AND.
P
81c
= 8. P
ic
= 8.0,68= 5,12 (W)
6. Công suất bax cấp cho cực điều khiển tiristo.
P
x
= 6. U
dk
. I
dk
= 6.2,5.0,2 = 3 (W)
7. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi.
P
n
= P
dph
+P
81c
+P
x
P
n
= 0,036 + 5,12 + 3 = 8,156 ( W)
8. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:

.
fm
S
.
=1,44( cm
2
)
trong đó: k
q
= 6 - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.
m= 3 - số trụ của biến áp .
f = 50 - tần số điện áp lưới.
chuẩn hoá tiết diện trụ: q
t
= 1,63 (cm
2
). tương ứng ta có 68 lá thép, mỗi lá dày 0,5 mm.
Trang: 25