Lời giới thiệu.
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp có một
vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế. Yêu cầu trước
hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất. Tự động hóa
ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc, tính an toàn và tiện dụng
của nó. Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứng dụng
ngày càng rộng rãi. Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng
quan trọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này. Ngày nay, động cơ điện
đã được ứng dụng rộng rãi, có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp và trong
đời sống sinh hoạt. So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ
không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả, với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chế tạo với
nhiều công suất khác nhau, sử dụng đơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thế các loại
máy điện một chiều. Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp, người ta
đã nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế
độ làm việc khác nhau. Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp
cho động cơ. Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải
thay đổi tần số làm việc của nó. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ biến
Giới thiệu về động cơ Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của
mạch không đồng bộ và các hệ thống biến tần.
Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất
Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các
phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.
Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

1
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân, cùng các thầy cô giáo khoa
Điện- Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian
vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình thiết kế còn tồn
tại những sai sót, mong các thầy cô giáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện
hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

- Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn và mặt
ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được
dập lỗ tròn để lồng trục máy. Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành một
trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn
rotor. Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator.
- Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor. Trục được đỡ
bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
- Dây quấn rotor có hai loại: loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn.
+ Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc
nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu.
Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn
mạch, cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm
4
bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch.
+ Loại rotor dây quấn: cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator
và có cùng số cực từ dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có ba
đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục. Ba chổi
than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao
nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
1.2.3 Nguyên lý hoạt động.
- Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất
hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/p(f là tần số lưới điện, p là số cặp cực). Từ
trường quay này sẽ quét lên dây quấn, nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn
stator xuất hiện dòng I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ
thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor
tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor.
5
1.2.4 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ.
+Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng
sóc.

.
2
π

X
1
= ω
1
L
1
; X
2
’= ω
1
L
2
’

+Mô men tới hạn sẽ giảm theo quy luật :
↓ M
th
=
( )
↑
+
f
LL
P
f
U

cấp cho động cơ
Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ
trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp khi nguồn
cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm(vì tổng trở của mạch tỉ lệ
thuận theo tần số). Điện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh,
do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ cho
momen theo chế độ với giá trị định mức.
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:
+ Khi f
1
< f
1đm
với điều kiện
f
U
1
1
= const thì Mth giữ không đổi.
+ Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ
trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng.
1.2.5 Phương trình đặc tính cơ.
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế :

Ta có dòng điện stator
Ta có dòng điện stator:
:

U
1f
1f

trị hiệu dụng của điện áp pha stator
trị hiệu dụng của điện áp pha stator
.
.
+Phương trình đặc tính của động cơ :
+Phương trình đặc tính của động cơ :
Đường đặc tính của động cơ như hình h1-2.
Với
S
th
là hệ số trượt tới hạn cửa động cơ.
1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ
1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ
.
. a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ
a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ
.
.
Đ
Đ
ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch
ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạchrotor để hạn chế dòng khởi động thì S
rotor để hạn chế dòng khởi động thì S
th
th
= val và M
= val và M
th
th
=const
=const
.
.

d) Ảnh hưởng của tần số.

Xuất phát từ biểu thức trên ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ
của từ trường quay và từ thay đổi tốc độ động cơ.
9
Hình 1-4
Hình 1-5
Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu
Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu X
nm
=

Xuất phát từ biểu thức ω= ω
0
(1-s) = 2Πf
1
(1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi
tần số f
1
ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ. Do máy điện
được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnh
hưởng đến chế độ công tác của máy.
Vì U
1
=E
1
= 4,444.f
1
.K
tp1
.W
1
.Ф.10
-8
= KФ.f
1
Nếu điện áp U
1
= Const thì khi f
1
tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến
hiện tượng giảm mômen trong máy. Để giữ cho mômen không đổi thì phải tăng

21
2
1
1
'
2110
2
1
th
)fX(X
P
4π
3U
)fxf(x2ω
3U
M
+
=
+
=
)(
.
)(
4
3
M
M
2
1
2

x
dmcc
f
p
MM
p
f
1.
1
.
2
.
2
π
ω
π
=⇒
Như vậy ta có : λ =
( )
x
f
U
B
A
+2
1
2
1
.
Do đó để thỏa mãn điều kiện λ =const ta có:

U
+
+
=
2
2
11
Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vào tải:
- Kiểu máy tiện x=-1
- Kiểu máy nâng x=0
- Ma sát nhớt x=1
- Quạt gió x=2
b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp.
Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ.
Ta có: M
max
≈ C
1
.U
1
2
Khi U
1
giảm nhỏ hơn U
1dm
→ M
th
giảm còn S
th
=const.

ω = ω
0
(1-S)
)1(
2
1
S
p
f
−=
π

Để thay đổi số đôi cực thì động cơ phải được chế tạo đặc biệt. Những máy điện
kiểu đó gọi là máy điện đa tốc độ. Số đôi cực có thể được thay đổi bằng hai cách:
-Cách 1 : Dùng hai tổ đấu dây quấn stato riêng biệt, mỗi tổ có số đôi cực riêng.
-Cách 2 : Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm hai đoạn,
thay đổi cách nối dây giữa 2 đoạn đó sẽ thay đổi được số đôi cực.
Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ
dây quấn stato. Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi cực theo cách hỗn
hợp.
• Trên thực tế người ta giải quyết như sau:
-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → Y
Y
- Đổi nối sao -sao kép: Y → Y
Y
Khi đó: S
thYY
=S
∆
S

c.cp
=M
c.cpYY
• Ưu khuyết điểm:
- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng, không cồng kềnh.
- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vì p là số nguyên.
e) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:
-Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn.
-Khi thay đổi điện trở thì tốc độ không tải lý tưởng không đổi, momen tới hạn
không đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi.
• Ưu nhược điểm:
-Ưu điểm: có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc.
-Nhược điểm: +Chỉ điều chỉ theo chiề
π
ω
==
2
p.
fhay,
60
p.n
f
Trong ®ã:
f – tÇn sè ®iÖn ¸p tÝnh b»ng hec Hz;
n – tèc ®é quay tÝnh theo vßng/phót;
ω
- tèc ®é quay tÝnh theo radian/gi©y;
p – sè ®«i cùc m¸y ®iÖn.
u tốc độ giảm.
+Tổn hao công suất lớn.

1
(f
1
) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay
ra tải với U
2
(f
2
). Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc van rất phức tạp chỉ sử
dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f
2
khó khăn và phụ thuộc vào f
1
.
- Bộ biến tần gián tiếp.
Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu túc tổng thể như sau:
Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu:
-Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều.
-Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra của
khâu chỉnh lưu là hằng.
15
-Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một
chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f
2
.
Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U
1
,f
1
) được

b/Phân loại:
-Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt.
-Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt và thyristor.
-Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor.
16
c/ Ứng dụng.
• Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử.
• Cấp điện cho các thiết bị điện cơ sử dụng năng lượng DC: động cơ DC, cuộn coil
DC cho relay, contactor, nam châm điện DC…
• Truyền động thay đổi tốc độ động cơ DC bằng chỉnh lưu có điệu khiển.
• Biến đổi năng lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện.
1.1.3 Nghịch lưu.
a/Nghịch lưu điện một là bộ biến đổi chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số đầu
ra có thể thay đổi cung cấp cho các tải xoay chiều:
•Đầu ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) không đổi: UPS, các bộ đổi tần cho
các thiết bị đặc biệt.
•Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC.
•Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần.
Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau, có thể có cùng mạch động lực
nhưng điều khiển khác nhau cũng tạo thành các tính chất khác nhau.
b/Phân loại.
•Nghịch lưu song song và nối tiếp.
+ Sử dụng SCR đóng ngắt và có tụ điện để tắt SCR.
+ Bao gồm nghịch lưu nối tiếp và nghịch lưu song song sơ đồ cầu và
sơ đồ biến áp có điểm giữa.
•Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp.
+ Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha).
+ Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha).
17
c/Ứng dụng của nghịch lưu.

Ñ K 4
Ñ K 3
Ñ K 6
Ñ K 5
Ñ K 2

2.1.2.Biến tần gián tiếp.
1/Một số sơ đồ biến tần gián tiếp:
19
Ñ C
a
b
c
V 1 ~
T 5T 3
T 4
C 2
Ñ K
T h 1
T h 2
T 2
T
T 6
T 1
C 1

20
H.b.1 Biến tần áp dùng
thyristor
H.b.2 Biến tần áp

T 6 T 2
D 1
D 4
D 3
D 6
D 5
D 2
2/Biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.
 Biến tần nguồn dòng.
1. Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên
nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu nguồn dòng song song.
2. Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diode cách ly.
3. Dòng ra nghịch lưu có dạng hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối Sin nếu
phụ tải là động cơ.
21
H.b.3 Biến tần
dòng ba pha dùng
thyristor.
H.b.4 Biến tần
dòng ba pha dùng
transistor
•Ưu điểm của biến tần loại này khi dùng với động cơ không đồng bộ có khả năng
trả năng lượng về lưới. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất
kém và cồng kềnh nhưng với công suất trên 100 Kw thì đây là một phương án hiệu
quả.
•Nhược điểm của sơ đồ này là hệ thống công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải
nhất là khi có tải nhỏ.
 Biến tần nguồn áp.
–Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển.
• Biến tần nguồn áp dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiển

- Sơ đồ hình cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn nên ta có thể chọn được loại
van có thông số về điện áp ngược.
- Máy biến áp ứng với sơ đồ cầu được sử sụng triệt để hơn.
2.2. TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT.
2.2.1. Bộ nghịch lưu.
23 Nguyên lý hoạt động:
Các điôt D
1
÷
D
6
mắc nối tiếp với các thyristor T
1
÷
T
6
nhằm ngăn sự phóng điện của
các tụ chuyển mạch C
1
÷
C
6
do điện áp ngược của tải gây nên. Các điôt DZ
1
÷
DZ
6

cực tính của tụ điện sau khi chuyển mạch kí hiệu ở dưới tụ điện. Sau khi T
3
Mở
(tại thời điểm t
1
) tụ C
1
chuyển nạp dao động trong mạch T
3
-Cx71-D
1
-L
1
-DZ
1
-T
3
còn
tụ C
5
trong mạch T
3
-C
3
-C
5
-D
1
-L
1

gian cần để có điện áp ngược của T
1
tăng từ giá trị U
oc1
tới 0. Thời gian này phải
nhỏ hơn thời gian trung hòa các điện tử của T
1
. Trong khoảng thời gian t
1
-t
2
dòng
chay qua tụ điện lớn hơn dòng tải I
o
. Dòng hiệu I
c
-I
o
chạy qua điôt phóng DZ
1
không qua tải. Tại T
2
dòng Ic=Io, dòng tụ điện giảm nhảy bậc xuống 0. Từ thời
điểm này dòng tải gây nên do năng lượng tích lũy trong cảm kháng của tải chạy
qua khép mạch kín bởi DZ
4
(sdt cảm ứng đã phân cực DZ
4
theo hướng dẫn). Bây
giờ DZ

-L
1
-pha A-pha C-L
3
-DZ
5
-
25