Lời nói đầu
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. 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 sản xuất công nghiệp, người ta 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.
Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn
hết sức quan trọng. Để có thể nắm vững lí thuyết để áp dụng vào thực tế, học
kì này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài :
“Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng
thyristor”
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!
Hải Phòng, ngày 06 tháng 10 năm 2011
Sinh viên

đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được.
Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá
áp hay thấp áp đầu vào…
Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn
này
thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn
định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó.
1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ
1.2.1 Giới thiệu chung
Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền
động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều,
còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng
động cơ một chiều. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù
đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó
lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới
thập kỷ 70 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào
việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất
cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10
năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành
tựu lớn và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay
chiều. Từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay
chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay
thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh
tốc độ động cơ xoay chiều.
Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì
phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép
điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển
hơn cả. Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng

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 trung bình và lớn
thường làm bằng gang.
+ Lõi thép : Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật
điện với nhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng. Mặt
trong của các lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator.
+ Dây quấn stator : Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh
của môbin đó được đặt vào lõi thép stator. Các mô bin được cách điện nhau
và cách điện với lõi thép.
- Phần quay (roto) :
Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn.
+ 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 roto. Thường các lá thép roto được
tận dụng phần bên trong các lá thép của stato.
+ Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto.
Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
+ Dây quấn roto có hai loại : loại roto lồng sóc và roto 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 roto 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 bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto và
được gắn chặt vào vành ngắn mạch.ìHình 1.3 Dây quấn roto kiểu lồng sóc
Loại roto dây quấn: Cũng được quấn thành từng các môbin như dây

2
’
, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản
stato và điện kháng roto đã quy đổi về phía stato.
I
th
,I
1
, I
2
’
là các dòng điện từ hoá , dòng điện stato, dòng
điện rôto đã quy đổi về stato
Với hệ số quy đổi như sau :
X
’
2
= K
u
2
.X
2
; I
’
2
= K
i
I
2
; R

I
2
’
=
( )
2
'
21
2
'
2
1
1
XX
R
R
U
S
++








+

S = 0 ⇒ I


Hình 1-5. Đặc tính dòng điện rôto
Thông thường ta có I
2
’
max = (4 ÷ 7)I
đm
. Vì thế khi khởi động
động cơ cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện
trở phụ phía rôto.
Ta có dòng điện phía stato là :
Khi S = 0 → I
1
= I
th
(dòng phía stato bằng dòng từ hoá )
S = 1 → I
1
=
( )
1
2
21
11
U
XRR
XR
nm
thth


cơ
.ω (2)
∆P
ω
2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto : ∆P
ω
2
= 3.I
2
’2
.R
2
’
(3)
Với I
2
’
=
( )
XRR
U
nm
22
21
1
++

Ta có : P
đt








+

M (ω
1
- ω ) = 3.
R
X
R
R
U
nm
S
'
2
2
2
'
2
1
2
1
.
+






+
2
2
'
2
11
'
2
2
1
3
nm
X
s
R
Rs
RU
ω
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Để vẽ đường đặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn
thông qua việc giải phương trình :

0
=
dS

1
2
3
nm
XRR
U
+±
ω

Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ .
Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát .
Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người
ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.
Với những động cơ công suất lớn lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm

nên lúc này co thể bỏ qua R
1
nghĩa là R
1
= 0 . Do đó :
S
th
= ±
X
R
nm
'

th
th
th
2
1

→ M =
S
S
S
S
M
th
th
th
+
2
- Khi xét S << S
th
( S → 0) .Tỷ số
S
S
th
nhỏ , gần đúng coi
S
S
th
= 0.
Lúc này đặc tính cơ có dạng đơn giản :
M =

1
cấp cho động cơ

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây
quấn và lồng sóc.
Xuất phát từ biểu thức:ω
1
=
P
f
1
.
2
π
. ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc
độ từ trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo.
Khi f
1
>f
1đm
ta có :
↓ S
th
=
( )
↑
+
f

=
( )
↑
+
f
LL
P
f
U
2
1
'
21
2
2
1
1
.
2
1
2
8
π
+ Thực tế khi f
1
tăng để đảm bảo đủ M
nm
cho động cơ và tốc độ
làm việc của động cơ không vượt quá giá trị cự đại cho phép.
ω

H1.8. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ
Khi tăng giảm tần số f
1
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 M
th
giữ không đổi
+ Khi f
1
>f
1đm
thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U
1

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:
ω
0
=
2 π f
1
P
Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo
công thức:
ω = ω
0
( 1 – s )
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 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 Φ1, từ thông của roto Φ
2
, hoặc từ thông tổng của mạch từ
hóa Φµ.
Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc

1
< flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít
được sử dụng.
b.2) Biến tần gián tiếp
+/ Khái niệm: Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay
chiều có V
1
, f
1
là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có V
r,
f
r
thay đổi, qua
khâu trung gian một chiều. Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở
của các thiết bị nghịch lưu.
+/ Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 1.9. Cấu trúc của bộ 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:
- 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. 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.
- Bộ lọc : để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của
bộ chỉnh lưu.
- Khâu nghịch lưu : Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi

sản phẩm. 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.
- Dễ điều khiển, vận hành.
- Thỏa mãn tiêu chuẩn quốc tế.
- Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa đối với các máy biến tần.
- Thiết kế máy biến tần nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí sản xuất.
1.3.2 Các phương pháp điều khiển
a) Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín
hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra
nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số
lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu
này xác định thời điểm đóng mở van công suất. Điện áp ra có dạng xung với
độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.Trong quá trình điều chế, người ta có thể
tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và theo
độ rộng xung lưỡng cực.
Hình 1.10. Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng
xung
(v
01
là thành phần sin cơ bản, v
i
là điện một chiều vào bộ nghịch lưu,
v
o
là điện áp ra )

/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:
Và momen tới hạn:
Khi hoạt động ở định mức:
Ta có công thức sau:
Với f
1
– là tần số làm việc của động cơ, f
1đm
– là tần số định mức. Theo
luật U/f = const :
Ta thu được: U
1
= aU
1đm
f1 = af
1đm
Phân tích tương tự, ta cũng thu được ω
0
= aω
0đm
; X
1

đối lớn so với giá trị của (X
1
+ X’
1
) 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 Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ
đó ta có quan hệ sau: U
1
= U
0
+ Kf
1
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ
U=U
đm
tại f = f
đm
. Khi a > 1 (f > f
đm
), 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:
Hình 1.11. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số
theo luật điều khiển U/f=const
Từ hình 1.11 ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

tạo ra từ trường quay mà tốc độ quay quyết định bởi mạch điều khiển cầu
biến tần. Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động.
+/ Nhận xét
Sơ đồ bộ biến tần dòng ba pha này đơn giản và làm việc tin cậy, được
sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha kiểu lồng sóc.
Dòng điện các pha của động cơ có dạng hình sin chữ nhật. Nó là một
hàm chu kỳ, lẻ , đối xứng qua trục hoành. Khai triển Furie của nó không
chứa số hạng hằng và các số hạng hàm cosin.
Biên độ của sóng cơ bản
Π
=
Π
=
Π
=
∫∫
Π
Π
Π
d
d
I
dIdiI
32
sin
2
sin
2
6
5