Ch−¬ng IV
THIÕT KÕ Bé BIÕN TÇN NGUåN ¸P BA PHA
CHO §éNG C¥ KH¤NG §åNG Bé
ROTO LåNG SãC

48
Trang


A. SƠ Đồ KHốI MạCH ĐộNG LựC
Mạch động lực dùng để truyền tải năng lợng điện cung cấp cho động cơ.
Mạch ny l một bộ biến tần gián tiếp bao gồm các khối sau:
CHẩNH
LặU

LOĩC

NGHậCH
LặU

K

Hỗnh 4.1. Sồ õọử khọỳi hóỷ thọỳng
nghởch lổu
I. Chức năng:
1. Khối chỉnh lu:
Khối chỉnh lu dùng để biến đổi nguồn AC sang nguồn DC theo sự
phân loại dựa vo van đợc sử dụng ta có ba phơng pháp sau:
+ Chỉnh lu không điều khiển dùng Diode.
+ Chỉnh lu có điều khiển dùng Thyritor.
+ Chỉnh lu bán điều khiển dùng Diode v Thyristor.

b) Chốnh lổu hỗnh tia toaỡn soùng; c) Chốnh lổu
hỗnh cỏửu toaỡn soùng
49
Trang


So sánh sơ đồ hình tia v hình cầu ta thấy:
+ Sơ đồ hình tia đơn giản hơn, số van ít nên độ sụt áp v tổn thất bé.
+ Sơ đồ hình cầu có điện áp ngợc đặt lên van nhỏ hơn nên ta có thể
chọn đợc loại van có thông số về điện áp ngợc nhỏ hơn.
+ Máy biến áp ứng với sơ đồ cầu đợc sử dụng triệt để hơn.
+ Sơ đồ cầu cho chất lợng điện áp ra tốt hơn.
Với yêu cầu thiết kế: Sử dụng lới điện một pha v điều chỉnh đợc. Do
vậy ta dùng sơ đồ cầu chỉnh lu, dùng Thyristor.
Mạch chỉnh lu đợc cung cấp điện bởi máy biến áp. Do đó phụ tải đợc
cách ly với lới điện, vận hnh đợc an ton thuận tiện, hạn chế đợc dòng
ngắn mạch trong mạch chỉnh lu v hạn chế tốc độ tăng của dòng Anode, cải
thiện đợc hình dạng dòng điện trong lới.
2. Khối lọc:
Điện áp ra của khối chỉnh lu l điều chỉnh nhng không bằng phẳng m
nhấp nhô, gọi l sự đập mạch. Do đó để cho dòng điện áp ít thay đổi ta cần có
khối lọc. Khối lọc dùng để tách từ một tín hiệu phức tạp những thnh phần có
tần số nằm trong một dải nhất định v loại đi những thnh phần nằm ngoi dải
đó. Dải tần số mạch lọc cho tín hiệu đi qua gọi l dải thông của nó.
Hiện tợng đập mạch tạo ra cách thnh phần sóng hi gây nên sự tiêu phí
năng lợng một cách vô ích, lm giảm hiệu suất của mạch chỉnh lu. Để đánh
giá chất lợng của mạch lọc ta xem xét hệ số đập mạch của mạch lọc:
Kp=

Bión õọỹ soùng haỡi lồùn

Trang


Hệ số đập mạch

Kp =

Rt
3T

Bộ lọc ny thích
hợp với tải công suất vừa v lớn.
c.Lọc dùng tụ C v cuộn cảm L:
Bộ ny sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L v tụ C để lọc. Do đó
các sóng hi cng đợc giảm nhỏ trớc khi tải ra v nh vậy dòng điện ra tải
v điện áp đặt lên tải ít nhấp nhô. Theo yêu cầu cần thiết, động cơ (tải) có công
suất tơng đối nhỏ (0,75 KW), để giảm kích thớc lắp ráp v giá thnh của
mạch thiết kế ta chỉ cần bộ lọc tụ điện. Tuy nhiên trong thiết kế ny, để tăng
chất lợng cung cấp điện cho tải, cũng nh tạo sự an ton lm việc cho bộ
nghịch lu ta sử dụng bộ lọc l tổng hợp L v C.
3.Khối nghịch lu áp :
Khối nghịch lu áp dùng để biến đổi điện áp một chiều sau bộ lọc thnh
xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Các
van bán dẫn dùng trong bộ nghịch lu áp có thể l MOSFET , Thyristor hoặc
Transistor.
a.Dùng Thyristor:
Dùng Thyristor trong mạch nghịch lu điện áp thì cần phải có bộ phận
chuyển mạch cho Thyristor gồm có các tụ điện v các cuộn cảm nên giá thnh
cao v khả năng đóng cắt ở tần số thấp.
b.Dùng Transistor:

T4
T

D4
D

Hỗnh 4.6. Sồ õọử nguyón lyù maỷch
õọỹng lổỷc

Trang

D3

51


1. Bộ chỉnh lu:
ứng với nửa chu kì dơng của điện
áp nguồn tại thời điểm =;cho xung
mở T1 ,T3. Tại thời điểm = + ; cho
xung điều khiển mở T2,T4 (vì sự có mặt
của Lc của máy biến áp nên dòng iT1,3
không thể giảm đột ngột từ Id xuống
không m dòng iT2,4 cũng không tăng
đột ngột từ 0 tới Id). ở đây ta bỏ qua
hiện tợng trùng dẫn. Vì có điện cảm L
nên dòng tải l dòng liên tục.
Giá trị trung bình của điện áp sau
chỉnh
lu l:


Ud =

Id =

Id =

1 +




U E
2 .V2 .Sin E
d = d
R
R

1 + 2
I d .d = I d



+
T1
T

-

T4


2.Bộ nghịch lu:
Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lu:
Các Transistor đợc mở lần lợc theo thứ tự T1, T2, T3... T6, T1 với góc
lệch giữa hai Transistor l /3 mỗi van dẫn l = . Nh vậy tại bất kì thời
điểm no cũng có ba Transistor dẫn trong đó 2 Transistor thuộc nhóm ny với
1 Transistor nhóm kia tạo nên điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ. Thời
điểm các Transistor T1, T3, T5 v T2, T4, T6 bắt đầu dẫn lệch nhau 1200 do đó
điện áp ra của bộ nghịch lu cũng lệch nhau về thời gian một góc l 1200.
Điện áp pha của động cơ có dạng xung chữ nhật tại thời điểm các
Transistor chuyển mạch thì áp pha có đột biến nhảy cấp. Điện áp trên tải chỉ
có hai giá trị: Ud/3 (khi nó bị đấu song song với pha khác) hoặc 2Ud/3 (khi nó
đấu nối tiếp với nhóm song song kia). Điện áp dây có dạng xung chữ nhật với
độ rộng l 1200.
Dòng điện của động cơ chậm sau điện áp pha tơng ứng một góc =
arctg(L/R) có dạng xoay chiều không sin, tăng v giảm theo hm mũ.
Đồ thị xung biểu diễn trật tự đóng cắt của các Transistor v đồ thị dòng
điện tải, điện áp pha v điện áp dây nh sau:

53
Trang


UA

H×nh 4.9 då thÞ xung kÝch më Transistor vaf d¹ng ®iÖn ¸p t¶i

54
Trang


Từ dạng điện áp ra tải ta có:
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:
Uf =

1 2 2
1 / 3 Ud
2.
u f d =
2. 0
0 2

2
2 / 3 2U
2

Ud
d + d d =
3

/ 3 3

Dòng diện tải có ba đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ.
Trong khoảng từ: 0 ữ /3
ia =

ud (1 + )(2 ) / Q
e
1

3.R

a = e 3Q

ở nửa chu kỳ sau quy luật dòng điện tơng tự nh dấu ngợc với nửa chu
kỳ trên.
Khai triển Furier điện áp dây v điện áp pha:
u AB =
uA =

2



2 3



ud (Sint 1 / 5 Sin 5t 1 / 7 Sin7t 1 / 11Sin11t )

1
1
1


ud Sint + Sin 5t + Sin7t + Sin11t
11
7
5




100
150
U1(V)
I(A)
0,29
0,42
P1(W)
4
12
P2(W)
2
6

340
1
94
56

202
0,53
21,2
12,8

- Thí nghiệm ngắn mạch:
UN(V)
20
30
IN(A)
0,36
0,56

RS = R S + (40-25).0,04.R S = 9,385()
+Tốc độ góc định mức động cơ:
õm =2.nõm/60 = 2.1410/60 = 147,65(rad/s)
Momen định mức:
Mõm = Põm/õm = 750/147,65 = 5,083(Nm)
Công suất điện từ định mức:
Põm = .Mõm/P = 2..50.5,083/2 = 798,03(W)
Hệ số công suất:
Cos õm =

Põm
3U õm I õm

=

750

= 0, 57

3 .380.2

Hệ số trợc S:
S = 1 - (nđm/n1) = 1 - 1410/1500 = 0,061
Điện trở roto:

56
Trang


Rr = S.P(®m/3I2®m = 0,061.798,03/(3.2)2 = 4,056(()


32,075 2 − 13, 441 2
= 0,093( H )
2.3.14.50

LSδ = 0,586.Lδ = 0,586.0,093 = 0,054(H)
Lrδ = Lδ - LSδ = 0,093 - 0,054 = 0,039(H)
Tæng trë kh«ng t¶i:
Z0 =

U0

P0 =

3
(P1 + P2 ) = 3 (4 + 2) = 5,196(W )
2
2

3I0

=

100

( Ω)

3 .0,29

C«ng suÊt t¸c dông kh«ng t¶i:

30
40
50
ISN(A)
0,36
0,56
0,81
1
29,20
27,86
25,14
25,55
XN(Ω)
0,093
0,089
0,080
0,081
Lδ(H)
0,054
0,052
0,047
0,045
LSδ(H)
0,039
0,037
0,035
0,033
Lrδ(H)
U0(V)
100

0,576
0,598
0,633
0,602
0,41
0,59
0,75
0,99
Iμ(A)
0,236
0,355
0,475
0,596
Ψμ(V.s)

55
1,2
22,79
0,073
0,043
0,030
300
0,84
206,20
83,17
39,3
202,4
0,64
0,597
1,18


5

5

__

L sδ =

∑L δ
S

1

5

5

= 0,048( H )

__

Lh =

∑L

__

L rδ =



5

SI

= 0,0834( H )

58
Trang


II. Tính chọn mạch động lực:
1.Tính chọn mạch chỉnh lu:
Giá trị trung bình đặt vo bộ nghịch lu:
2
U d 0.4714U d
3
3
3
Ud =
Uf =
220 = 466,7(V ) = 2,121U f
2
2
Uf =

Thực tế giá trị Ud = 466,7V l giá trị đã trừ đi xấp xỉ 2V do sụt áp trên các
Thyristor.
Vậy giá trị điện áp sau chỉnh lu l:
Ud = 466,7 + 2 =468,7(V)

Để Thyristo lm việc an ton tin cậy ta chọn các thông số sau:
Điện áp ngợc cực đại:
Ung = Ku.735,8 = 735,8.1,6 = 1177,28V
Dòng trung bình m Thyristor chịu đợc:
It = Kmm.Ki.1 = 2,5.1,2.1 =3A
Theo sách tra cứu ta chọn loại Thyristor nh sau:
Loại C137 do hãng G.E của Mỹ chế tạo có các thông số sau:
Ung = 1200V
59
Trang


Itb= 22,3A
U = 1,3V
b. Tính chọn máy biến áp động lực:
Do máy biến áp có công suất nhỏ nên sụt áp trên nó tơng đối nhỏ cỡ vo
khoảng 5,5%, điện áp rơi trên hai Thyristor nối tiếp khoảng 3V. Do đó điện áp
chỉnh lu khi không tải l:
Ud0 = 468,7 + 468,7.0.055 +3 = 497,5(V)
Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp lúc không tải:
U2 =

. .U d 0
2 2

=

. .497, 5

= 552, 3( V )

dạng sau:
Trụ:
- Tiết diện thô:
6.5 = 30 (cm3)
- Tiết diện hiệu quả:
30.0,95 = 28,5(cm3)
- Trọng lợng:
28,5.10-2.2.1,2.7,5 = 5,53(Kg)
Quylat:
Tiết diện thô:

30

25
120

50
180

60
150

Trang

Hỗnh 4.12. Maỷch tổỡ 60
maùy bióỳn aùp õọỹng
lổỷc


3.6 = 18 (cm3)


= 1, 46( mm )

Đờng kính dây dẫn thứ cấp:

d2 =

4.S 2



=

4.I 2
=
.J

4.2



= 0,92(mm)

d1 = 1,62mm
d2 = 1mm
- ống quấn dây:
ống quấn dây lm bằng vật liệu cách điện, dy 1mm. Do đó chu vi của
một vòng dây
l:
2.(50 + 1 + 60 + 1) = 224(mm)

l2 = 270,4.10-3.793,16 = 214,47mạch
Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 750C
r2 = 0,0219.214,47(1 + 0,004.75) = 6,1
Điện kháng dây quấn biến áp
X = 82.n2.r/h.[a +(e1 + e2)/3]..10-7
= 8.3,142.7932.0,067/0,115.[0,008 + (0,0085 + 0,0087)/3].314.10-7
1,2
Điện áp rơi trên điện kháng
UX = 3.X.Id/
= 3.1,2.2/3,14 (V)
Điện áp rơi trên điện trở
Ur = [r2 + r1(n2/n1)2].Id
= (6,1 + 0,82.2,512).2 = 22,53 (V)
Điện áp chỉnh lu khi đầy tải
U = Ud0 - Ux - Ur - U0 = 460,67(V)
Tổn thất trong lõi sắt từ có tính đến15% tổn thất phụ
P = 1,3.1,15.(5,13.1,12 + 3,8.0,952) = 14,4(W)
Hiệu suất của thiết bị chỉnh lu
Ud Id
=
U d I d + P + U r I d + 2 I T
497 , 4.2
=
= 0,6
497, 4.2 + 14, 4.22, 53.2 + 2.1

=

Zn = Rd2 + X 2 = 1, 22 + 11, 256 2 = 11, 32()


Ta có đợc: 781250.C2 - 12500.C -1 = 0
V chọn đợc: C = 0,0159(F) = 15900((F)
3. Tính chọn mạch nghịch lu:
a.Chọn Transistor:
Điện áp UDS cực đại đặt lên Transistor l:
UDS = Ud = 468,7V
Dòng điện Id chạy qua Transistor l:
I d = 2 .I tbcl = 2 .2 = 2.82 A

Để cho Transistor lm việc an ton, tin cậy ta chọn hệ số giữ trữ:
, Ki = 1,2
Ku = 1,6
UDS = Ku .UDS = 468,7.1,6 = 749,92V
ID = Km . Ki .ID = 2,5.1,2.2,28 = 8,48A
Vậy ta chọn Transistor nh sau:
Mã hiệu
C4111

VCE(V)
1500

IC(A)
10

b. Chọn Diod:
Điện áp ngợc đặt lên Diod:
Ung = Ud = 468,7 V
Dòng điện trung bình chạy trong Diod:
Id =


VL-10

U(V)
1500

Itb(A)
10

C. THIếT Kế MạCH ĐIềU KHIểN:
I.Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lu:
Chức năng của mạch điều khiển l tạo ra những xung để mở các
Thyristor công suất, những xung ny có độ rộng v hình dạng nhất định, phân
bố xung theo từng pha tơng ứng, có thể thay đổi đợc thời điểm đặt xung mở
vo cực điều khiển Thyristor.
Xung mở thờng có biên độ từ 2-10V dòng điều khiển trong giới hạn nhỏ
hơn 1A. Công suất không vợt quá 10W, độ rộng khoảng 20-100s đối với thiết
bị chỉnh lu.V không nhỏ hơn 10s đối với thiết bị biến đổi tần số cao. Mạch
điều khiển còn phải đảm bảo phạm vi điều khiển góc . ở các sơ đồ biến đổi
tần thì việc mất đối xứng giữa các kênh không những lm xấu điện áp ra m
còn có thể lm cho chế độ biến đổi bị phá hủy.
Ngoi mạch điều khiển phải bảo đảm lm việc tin cậy trong mọi hon
cảnh nh khi nhiệt độ thay đổi, nguồn tín hiệu nhiễu tăng. V thiết bị phải dễ
thay thế, dễ lắp ráp v điều chỉnh.
Trong thực tế ngời ta thờng dùng hai nguyên tắc điều khiển đó l:
+ Điều khiển thẳng đứng tuyến tính.
+ Điều khiển thẳng đứng "Arccos".
Để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng của điện
áp đặt trên Thyristor. Với việc dùng bộ chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ dùng
Thyristor ta có thể chọn nguyên tắc điều khiển thẳg đứng "Arccos". Theo
nguyên tắc ny, ngời ta dùng hai điện áp:

3/ Trở kháng ra Zr = 0
4/ Giải tần từ 0 đến
5/ Độ trôi điểm không bằng không
6/ Tuyến tính v Doid đối xứng.
Khuếch đại thuật toán thực tế có tham số thấp hơn so với KĐTT lý tởng,
tùy thuộc vo các loại khác nhau nh KĐTT thông dụng, KĐTT đặc biệt,
KĐTT chính xác cao hoặc KĐTT tác động nhanh v.v...
+
ỏửu
vaỡo

ỏửu
ra

+

-

Hỗnh 4.13. Mọ taớ tọứng
quaùt KTT
Thực chất của khâu tạo hm cos l khâu tích phân dùng Opam. Tín hiệu
U2 =

U
1 Um
Sint.dt = m COSt

CR
C
R


R 2- X c2 + 2 jR3 X cIra
U s = Uc = 3
R32 + X c2

Ura

+

UCR

2

Hỗnh 4.15. Maỷch so saùnh duỡng
KTT
Nh vậy khi ta chọn Ucmax = Um/CR = 10V thì khi Uc=Us ta có Cos
=Uc/Ucmax v ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận đợc chuỗi xung chữ nhật.
3.Sơ đồ mạch một kênh điều khiển chỉnh lu:
R2
C1

U1
R1

-

U2

R4
-


Um
1 Um
Cos(t )
Sin(t ) =

.R1 .C1
C R

U c max =


Um

.C1 .R1

= 10 V

12 2
12 2
= 10 V C1R1 =
2. . f .C1.R1
10.314

Ta chọn R1 = 14( K )
12 2
C1 = 10.314
= 0,38.10 6 F
.14.10 3


T - Trigger 2

6

D - Discharge

O - Out put 3

7

Th - Threshold

R - Reset

8

Z

555

5K
3

2

R

&

OA2

R1

8

4

7
R2

xP2

(1-x)P2
P1

q

555 3
6
2
1

t
5

T1

T2

C


3

U c ( t ) = E ( 1 e at ) +

Điện áp Uc tăng theo hm mũ.
Khi t = T1 thì Uc = 2E/3.Vậy: T1 = 0,693C(R1 + xP2 + P1).
Khi C phóng điện ta có phơng trình:
t

U c (t ) =

2 E 2
.e
3

Trong đó 2 = C[P1 + (1-x)P2 + R2] v lấy gốc thời gian tại T1.
Khi t =T2 thì U2 = E/3.
Do đó T2 = 0,963C[P1 + (1-x)P2 + R2]
Chu hỳ xung ra l T = 0,963C(R1 + R2 + 2P1+ P2).
Tần số xung l: f = 1/T.
Để thay đổi đợc tần số xung ra ta chỉ cần thay đổi điện áp đóng xả của tụ
điện C, bằng cách thay đổi vị trí của biến trở P1. Nếu R2 = R2 = R v x =1/2 thì
T1 = T2 ở mọi tần số. Bấy giờ T = 0,963C(2R1 + 2P1 + P2).
Để phát xung cho mạch điều khiển chỉnh lu ta chọn mạch phát xung nh
sau :
VCC
4

8
R1

69
Trang


* Hoạt động của sơ đồ :
-Điện thế cổng vo + của OA1 l 2E/3.
-Điện thế cổng vo - của OA2 l E/3. +Tụ điện C nạp điện qua R1 v
Diot D.
+Tụ điện C phóng điện qua R2 v Transistor T.
Giả thiết ban đầu UC = E/3 ; S = 0 ; R = 1 ; V(3) = 1 ; Z = 0 ;
Transistor T bị khoá. Tụ điện nạp điện, UC tăng lên theo hm mũ. Khi tụ C
nạp điện đến điện áp UC = 2E/3; R = 0 ; Z = 1 ; V(3) = 0 ; T mở. Tụ điện
phóng điện qua điện trở R2 v T, điện áp UC giảm.
+Khi UC = E/3; S = 0 ; Z = 0 ; V(3) = 1 ; T bị khoá lại.
*Xác định chu kỳ xung:
-Khi tụ điện C nạp ta có phơng trình:
duc
.
dt
duc
1
+ a.v c = a.E với a =
dt
R 1 .C

i .R 1 + u c = E

với i = C

Viết dới dạng toán tử Laplace :

Deleted: ả


Khâu khuếch đại xung ta có thể dùng biến áp xung hoặc bộ ghép bao gồm
hai linh kiện quang Diod - Transitor hay còn gọi l Transitor.
Mạch cách ly:

Vcc

Vdd

R0

D0

R1

T0
G

R3
T
R2

Hình 4.19 : Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly
Khối ny có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển v mạch động lực,
ngăn không cho điện áp phía mạch động lực "trn" vo mạch điều khiển gây
nguy hiểm. Khối cách ly nhận tín hiệu từ ngõ ra của mạch điều khiển, sau đó
khuếch đại lên điện áp có biên độ đủ lớn để kích mở Thyristor
Nguyên lý hoạt động:

Chọn Transistor T loại 2SE 776 có các thông số sau :
VCemax = 75 V, ICmax = 1 A, hệ số khuếch đại = 5.
Dòng vo cực bazơ của T :
Ib = Ic / = 20 / 5 = 4 (mA).
Chọn dòng qua R 3l 20 mA :
R3 = (5 - 0,6) / (20.10-3) = 220 ().
II. Mạch điều khiển nghịch lu:
Để điều khiển các Transistor đóng mở theo yêu cầu, ta cần có mạch tạo
xung chữ nhật có độ rộng theo yêu cầu v có thể thay đổi đợc tần số của xung
ra. Yêu cầu đợc đặt ra l tín hiệu vo của mạch điều khiển l tín hiệu điện áp.
Tín hiệu của mạch điều khiển l xung chữ nhật ny l phải có tần số tỉ lệ tuyến
tính với điện áp điều khiển (U ~ f). Nghĩa l khi điện áp điều khiển tăng lên thì
tần số xung ra phải tăng lên hoặc ngợc lại điện áp điều khiển giảm xuống thì
tần số xung ra phải giảm xuống.
1. Khâu phát xung chử nhật :
a. Giới thiệu mạch biến đổi điện áp _ tần số (U/F _ VCO )
Trông mạch điều khiển biến tần , cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật
có tần số tỷ lệ với điện áp điều khiển . Cụ thể trong điề khiển tần số động cơ
không đồng bộ , tần số điện áp hoặc dòng điện ra f1 của biến tần đợc tính
f1 = fw + f2
Trong đó: fw : tần số quay của trục động cơ
f2 : tần số trợt ở mạch rô to .
Thực tế ta tính đợc Uw ~ Fw v U2 ~ F2
Vì vậy U1 ~ F1 đợc tính
U 1 = Uw + U2

72
Trang