Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế
SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều
khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng
như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô
hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền
động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế
về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở
động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong
tương lai.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang
thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô
trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm
cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hoàn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa,
đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn
thành đề tài này.

Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009
SVTH: Vũ Quang Trình
1
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
MỤC LỤC
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n
o
(vòng/phút) thì tốc độ quay
của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω
o
; n < n
o
). Sai lệch tương tối giữa hai
tốc độ gọi là độ trượt s:
o
o
s
ω − ω
=
ω
(1-1)
Từ đó ta có:
ω = ω
o
(1 – s) (1-2)
hay
n = n
o
(1 – s) (1-3)
Với:

f
6
)
s
0
f
−
= =
(1-6)
2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là
ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng
không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong
lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ
như hình vẽ 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
SVTH: Vũ Quang Trình
5
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Trong đó:
U
1
– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
I
µ
, I
1
, I

o 1 nm
3U
M
R
s R X
s
R
,[Nm]=
 
 
ω +
 
 ÷
 
 
 
+
(1-7)
Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm
= X
1
+ X
’
2
2.2. Đường đặc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị

o 1 1 nm
3U
M
2 (R R X )+ω ±
=
(1-10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s
th
và
M
th
của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
SVTH: Vũ Quang Trình
7
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên
đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm
việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và
momen mở máy:
2
1 2
mm
2 2
o 1 2
'
nm

o
thay đổi, đồng thời X
1
, X
2
cũng
bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s
th
và
momen tới hạn M
th
.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s
th
= f(f
1
) và momen tới hạn theo tần số M
th
= f(f
1
) là phức tạp nhưng vì ω
o
và X
1
phụ thuộc tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các
biểu thức của s
th
và M

th
đều tăng nhưng M
th
tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f
1
xuống dưới tần số định mức f
1dm
thì tổng trở của các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ
tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải
đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
1
1
u
const
f
=
(1-14)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1dm
. Ở vùng f
1
> f
1dm
thì không thể

SVTH: Vũ Quang Trình
10
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc
hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không
đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất
từ vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường
được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy
công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy
bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ không
đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,
động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền
sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng
bộ ngày càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số
của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất
phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều
đòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị
xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay
chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều
khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
5. Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế
nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ
một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển

SVTH: Vũ Quang Trình
12
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý
khác chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic )
vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền
động. Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ
truyền động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng dụng rộng rãi của
hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn
( Semiconductor Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý
thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC
vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.
CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA
1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi
trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống
thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết
thời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có
thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
SVTH: Vũ Quang Trình
13

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh.
Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời
những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính
toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng
cao.
2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto R
f

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần
số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức
độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh
tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh
động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
.
3. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
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:
SVTH: Vũ Quang Trình

, từ thông của roto Φ
2
, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ
µ
.
Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ
thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều
khiển như sau:
- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = M
th
/M
c
= const
- Luật dòng điện không tải không đổi: I
o
= const
- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I
1
= f(Δω)
4. Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sdd của cuộn dây stato E
1
tỷ lệ với từ thông Φ
1
và tần số f
1
theo biều thức:
1 1 1 1 1 1
K f U I ZE = = −Φ

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:
2
1
2 2
2
0 1
'
2
'
1 2
'
3U R / s
M
[(R ) ]
R
(X X )
s
=
ω + ++
(2-5)
Và momen tới hạn:
2
1

(2-7)
2
1dm
thdm
2 2
0dm 1 1 1dm 2dm
'
3U
M
2 (R (XR X ))ω + + +
=
(2-8)
SVTH: Vũ Quang Trình
17
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Ta có công thức sau:
1dm
1
a
f
f
=
(2-9)
Với f
1
– là tần số làm việc của động cơ, f
1dm
– là tần số định mức. Theo luật U/f=
const :

các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:
2
2
'
'
1dm
2 2
1 2
o
1 2
'
3
R R
) X )
a a.
R
U
a.s
M
( (X
s
=
ω
 
 
 

+


(2-13)
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X
1
và X
’
2
phụ thuộc vào tần số trong
khi R
1
lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1
+ X
’
2
) >> R
1
/a,
SVTH: Vũ Quang Trình
18
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
sụt áp trên R
1
rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần
như không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R
1
/a sẽ tương đối lớn so
với giá trị của (X
1

19
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn
- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc
độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định
mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức
bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp
định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng trên vận tốc
cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự
thay đổi của tần số theo thời gian.
CHƯƠNG 3
BIẾN TẦN
1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần,
ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ
phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ
động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống
còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm
SVTH: Vũ Quang Trình
20
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp

nghiệp
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ
thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều
phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh
kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy
biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt
(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn
nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo
trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp
ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải
… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường
hợp này.
2. Phân loại biến tần
Biến tần thường được chia làm hai loại:
- Biến tần trực tiếp
- Biến tần gián tiếp
2.1. Biến tần trực tiếp
SVTH: Vũ Quang Trình
22
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều
không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và

tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các
ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được
định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn
dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì
phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều
khiển ổn định dòng điện.
Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt
động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và
dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải.
3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần
Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình ()
SVTH: Vũ Quang Trình
24
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm
biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.
Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có
tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều
nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định.
Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào
đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng
sau:
- Theo dõi sự cố lúc vận hành
- Xử lý thông tin từ người sử dụng
SVTH: Vũ Quang Trình
25