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
MỤC LỤC
SVTH: Vũ Quang Trình
1
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
SVTH: Vũ Quang Trình
2
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp

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:
2 n
60
ω =
π
(1-4)
SVTH: Vũ Quang Trình

= =
(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
’
2
– dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về
stato (A)
X
µ
, X
1

 
 
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
của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường
đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
SVTH: Vũ Quang Trình
6
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:
dM

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
'
R
R )
3U
X
M
(R
=
 
ω +

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
rút ra:
SVTH: Vũ Quang Trình
8
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
th
1
th
2

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 tăng
điện áp nguồn mà giữ U
1
= U
1dm
nên ở vùng này M
th
sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình
phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
f c/ tU ons=
để

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
11
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc
giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ
thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện
xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán
dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều
khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở

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
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu
như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng
0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu
như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tải
tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1,
dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng
công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ.
Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng
suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các
phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác
dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.

- 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:
1
o
2 f
p
ω
π
=
(2-1)
SVTH: Vũ Quang Trình
15
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:
o
(1 s)ω = ω −
(2-2)
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f
1

- 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
& &&
&
(2-3)
Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z
1
, ta có E
1
≈ U
1
, do đó:
SVTH: Vũ Quang Trình
16
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
1
1
1
U

3U R / s
M
[(R ) ]
R
(X X )
s
=
ω + ++
(2-5)
Và momen tới hạn:
2
1
th
2
0 1 1 1 2
'
3U
M
2 ( RR X(X ))+ + +
=
ω
(2-6)
Khi hoạt động ở định mức:
2
1dm
dm
2 2
2
0dm 1 1dm 2d
'

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 :
1 1dm 1 1
1 1dm 1dm dm
U U U f
a
f f U f
= ⇒ = =
(2-10)
Ta thu được:
1 1dm
1 1dm
U aU
f af
=
=
(2-11)
Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ω
o
= aω
odm

M
( (X
s
=
ω
 
 
 

+

 
+

+

(2-12)
2
1dm
th
2
o
2
1 1
'
1 2
3
2
R R
X )

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
+ X
’
2
) 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 U
o
để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ
sau:
U
1
=U
o
+ Kf
1
(2-14)
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U
1
cấp cho động cơ U=U

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 đế
SVTH: Vũ Quang Trình
20
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi
đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính
yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển
tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy:
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
• Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt
gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm
45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi
lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ
việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

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 nhỏ hơn
tần số lưới ( f
1
< f
lưới
). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
2.2. Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của 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:
a) 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. Ngày
nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm
vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói
chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua
luật điều khiển. 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.
SVTH: Vũ Quang Trình
23
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm
SVTH: Vũ Quang Trình
25

Trích đoạn Tính chọn tụ boostrap Thiết kế mạch điều khiển Thiết kế bộ nguồn Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM

---