PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc điều khiển các động cơ xoay chiều ba pha đã ra đời cách đây vài thập
niên, nhưng đặc biệt trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của các
phần tử bán dẫn và các mạch điện tử công suất, việc điều khiển động cơ xoay chiều
ba pha đã trở nên dễ dàng và ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Việc điều
khiển các bộ biến đổi công suất trong truyển động điện xoay chiều ba pha là một
trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong
công nghiệp, có được điều này là do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp
chế tạo bán dẫn. Các bộ biến đổi công suất thế hệ mới ngày nay càng thể hiện rõ
được điểm ưu việt như: kích thước gọn nhẹ, tác động nhanh, làm việc với độ tin
cậy cao mà giá thành lại hạ…
Việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi công suất trong truyền động điện
xoay chiều ba pha giúpchúng ta hiểu thêm và có kiến thức nhất định về điều khiển
các bộ biến đổi công suất này.Tạo tiền đề để có thể ứng dụng chúng vào trong các
quá trình công nghệ trong thực tế, do đó đem lại ý nghĩa quantrọng trong khoa học
và phát triển kinh tế.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên, nhằm góp phần thiết thực vào sự nghiệp
công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói chung và ngành điện tự động nói
riêng. Chính vì lẽ đó em đã lựa chọn đề tài là:
“ Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi công suất sử dụng trong truyền
động điện xoay chiều ba pha”.
2. Mục đích của đề tài
Nắm được tổng quan về các bộ biến đổi công suất sử dụng trong truyền động
điện xoay chiều ba pha, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi, kiểm chứng được
kết quả của bộ biến đổi và biếtcách sử dụng công cụ Simpower system để xây dựng
hệ thống điều khiển trên Simulink.
1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

hoặc ngược lại điện năng thành cơ năng trong chế độ hãm. Động cơ này sẽ tạo ra
tốc độ quay, qua thiết bị truyền lực động cơ sẽ truyền cơ năng của mình cho máy
sản xuất để thực hiện các yêu cầu sản xuất khác nhau.

3


3. TBL: Là thiết bị truyền lực, là thiết bị dùng để truyền lực từ trục động cơ
điện tới cơ cấu máy sản xuất hoặc để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến,
hay là biến đổi để phù hợp về tốc độ (hộp số), momen hay lực. Để truyền lực có thể
dùng bánh răng, trục vít, xích, dây culoa, các bộ hộp số…
4. M: Máy sản xuất, là cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và
công nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ hoặc di chuyển)
5. BĐK: Bộ điều khiển gồm các thiết bị để điều khiển bộ biến đổi, động cơ và
các thiết bị lực.
Bộ điều khiển gồm các thiết bị đo lường, các bộ điều chỉnh tham số
và công nghệ, các khí cụ điện, các thiết bị đóng cắt mạch điện (aptomat, rơle, công
tăc tơ)
Các thiết bị đo lường trong hệ là các cảm biến để lấy tín hiệu phản
hồi, máy phát tốc để lấy tốc độ phản hồi từ động cơ đưa về bộ điều khiển.
Cấu trúc của hệ truyền động xoay chiều bap ha gồm hai phần chính là: phần
mạch lực và phần mạch điều khiển
-

Phần mạch lực: Là nguồn điện được lấy từ lưới điện cung cấp điện năng tới bộ biến

-

đổi và động cơ điện truyền động cho phụ tải.
Phần điều khiển: Là các cơ cấu đo lường, các khí cụ điện, các thiết bị điều khiển

-

Vỏ máy: thường làm bằng gang hoặc nhôm, làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ
chặt lõi thép stator, vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai

-

nắp máy ở hai đầu để đỡ trục của máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.
Lõi thép stator: có dạng trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện được ghép với nhau
theo một hình trụ rỗng. Mặt trong của các lá thép kỹ thuật được dập rãnh theo

-

hướng trục để đặt cuộn dây stator.
Dây quấn stator: thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được quấn thành các
mô bin và đặt trong các rãnh của lõi thép stator. Các mô bin này được cách điện với

b)

nhau và cách điện với lõi thép.
Rotor
Rotor gồm có: lõi thép, trục máy và dây quấn.

-

Lõi thép: được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại 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. Thường thì các lá thép rotor được tận dụng phần bên

-

7


và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo
thành từ thông khe khí. Dòng điện ở dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khe
khí tạo thành momen quay làm quay rotor. Đó là nguyên lý làm việc của động cơ
điện không đồng bộ ba pha.
Tác dụng nói trên sẽ quan hệ mật thiết với tốc độ quay của rotor. Với những
phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ công tác của máy điện không đồng bộ cũng
khác nhau. Để chỉ phạm vi tốc độ của máy người ta đưa ra hệ số trượt:

s=

n1-n
n1

(1.1)

Khi n = n1 → s = 0, n = 0 thì s = 1, khi n > n1 thì s < 0 và khi n < 0 thì s > 1.
a)

Xét rotor quay cùng chiều của từ trường quay, nhưng n < n1 hay 0 < S < 1

Hình 1.6 Quá trình tạo momen quay của động cơ không đồng bộ
Khi chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ của rotor như hình 1.6a. Do n < n 1
nên từ trường vẫn quét các thanh dẫn rotor theo chiều quay của từ thông Φ. Ta xác
định chiều sức điện động sinh ra trên các thanh dẫn rotor theo quy tắc bàn tay phải,
theo quy tắc bàn tay trái ta xác định được lực F và momen M. Chiều của lực F đt
cũng là chiều của momen điện từ M đt. Vậy ta thấy Mđt sẽ làm rotor quay cùng chiều
với chiều quay của từ trường quay. Như vậy điện năng đưa vào lưới sẽ biến thành

bộ như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.
1.2.3. Phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ
Khi coi ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số của mạch không thay đổi
nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở mạch rotor không phụ thuộc vào
tần số dòng điện trong nó,mạch từ không bão hòa…Tổng dẫn của mạch vòng từ
hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator của
động cơ. Bỏ qua các tổn thất do ma sát, tổn thất trong lõi thép. Điện áp vào là hoàn
toàn hình sin và đối xứng.
9


Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha
như sau:

Hình 1.7 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ ba pha
Trong đó:
U1: Trị số hiệu dụng điện áp ba pha ở stator
I1, Iµ, I2: Trị số dòng điện stator, dòng từ hóa, dòng điện rotor quy đổi về
stator
r1, rµ, r’2: Trị số điện trở stator, điện trở mạch từ hóa, điện trở rotor quy
đổi về stator
R’f: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của rotor
s: Độ trượt của động cơ
Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stator:

I1 =



1


1
U1 
 r 2 μ +x 2 μ







= Iµ

(1.3)

Nghĩa là tốc độ đồng bộ của động cơ vẫn tiêu thụ dòng từ hóa để tạo ra từ
trường quay. Ta có đặc tính dòng stator của động cơ được trình bày như sau:
Trị số dòng điện rotor quy đổi về stator là:
U1
 R'2  2
 r1 +
÷+x nm
s 


I’2 =

U1

( r1 +R'2 ) +x

ΔP2 = 3

I'22

R’2

11

(1.8)
(1.9)
(1.10)


Suy ra:

M=

3I '22 R '2
ω1s

(1.11)

Khi thay thế vào phương trình (1.11) ta thu được phương trình đặc tính cơ:
3U '12 R '2
M=

R' 
2 
ω1s  r1 + 2 ÷2 + xnm


)

(1.14)

Trong đó: dấu (+) ứng với chế độ động cơ, dấu (-) ứng với chế độ máy phát.
12


Phương trình đặc tính cơ còn viết dưới dạng sau:
M=

a=

2M th (1 + as th )
s sth
+ + 2asth
sth s

r1
R '2

(1.15)

(1.16)

Với những động cơ mà có công suất lớn thì r1

Ta thấy đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha là đường cong được
phân ra thành hai đoạn chính: đoạn một từ điểm ω 1 tới điểm tới hạn và đoạn hai từ
điểm tới hạn tới điểm Mkđ.
Đoạn một đặc tính gần như là đường thẳng và cứng, đoạn này momen động cơ
tăng thì tốc độ giảm, động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Động cơ làm việc
sẽ không ổn định trên đoạn hai.

13


1.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU
BA PHA
Trong thực tế công nghiệp người ta rất cần các động cơ điện mà có thể thay
đổi tốc độ được theo ý muốn. Ví dụ như trong các máy gia công cắt gọt kim loại,
khi gia công thô ta cần có momen lớn và tốc độ thấp, còn khi gia công tinh ta cần
có tốc độ cao và momen quay nhỏ.
Hay dưới tàu thủy như các thiết bị nâng hạ hàng. Khi nâng ta cần có tốc độ
cao, khi hạ thì cần có tốc độ nhỏ…
Vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ trong thực tế là vấn đề rất cấp bách và cần
thiết. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện là làm cho tốc độ quay của động cơ theo ý
muốn của con người.
Những yêu cầu khi nghiên cứu vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ điện:
+ Giới hạn điều chỉnh phải rộng
+ Độ trơn điều chỉnh phải tốt
+ Phải đảm bảo tính kinh tế cao
1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
Điều chỉnh điện áp và giữ nguyên tần số của nguồn ta dùng bộ biến đổi điện
áp xoay chiều. Khi điện áp thay đổi thì độ trượt tới hạn của động cơ không đổi, còn
momen tới hạn thay đổi tỷ lệ với bình phương của điện áp.

1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn
Ta xuất phát từ công thức:

ω

=

2π f1
(1 − s)
p

ω
0

(1-s) =

(1.22)

Ta thấy khi tần số f1 thay đổi ta có thể thay đổi được tốc độ của động cơ không
đồng bộ. Khi ta thay đổi tần số nguồn thì s th thay đổi còn Mth không thay đổi và độ

15


cứng của đặc tính cơ gần như không thay đổi so với độ cứng của đặc tính cơ tự
nhiên.
sth = ±

R '2
R '2

máy tăng lên.
+ Khi tăng tần số thì từ thông Φ sẽ giảm, momen trong máy giảm. Để giữ cho
momen không đổi thì ta phải tăng dòng điện. Dẫn tới động cơ sẽ bị quá tải về điện.
Với phương pháp điều chỉnh tần số này thì khi điều chỉnh ta phải giữ cho tỷ số
U1/f1 = const nhằm mục đích giữ cho từ thông Φ là không đổi.
Phương pháp này có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh rộng, độ điều chỉnh láng,
không tổn hao về nhiệt. Tuy nhiên phương pháp này không kinh tế vì bộ biến đổi
phức tạp,cồng kềnh.
1.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor
Đây là phương pháp chỉ được sử dụng để thay đổi tốc độ của động cơ không
đồng bộ rotor dây quấn và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực do sự đơn giản
của nó. Khi thay đổi điện trở phụ mạch rotor thì sth thay đổi còn Mth không đổi:
sth = ±

R '2
= var
xnm

(1.25)
3U12
M th =±
2ω1 xnm

= const

Sơ đồ nguyên lý và dạng đặc tính cơ của động cơ như sau:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý khi thay đổi Rp

17


18

(1.27)


Để có thể thay đổi số cặp cực của động cơ thì máy điện phải được chế tạo một
cách đặc biệt. Máy điện đó gọi là máy điện đa tốc. Có hai cách để thay đổi số cặp
cực của máy:
+ Dùng hai tổ dây quấn statorr riêng biệt, mỗi tổ có số cặp cực riêng.
+ Dùng một tổ quấn dây statorr nhưng mỗi pha được chia làm hai đoạn, tat
hay đổi cách nối dây giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi được số cặp cực.
Khi thay đổi số cặp cực ta có:
2π f1
= var
p

ω1 =

(1.28)
sth = ±

R '2
= const
xnm

(1.29)
3U12
M th =±
2ω1 x nm

khiển hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha. Kỹ thuật để phát triển các bộ
biến đổi là ngành khoa học rất trẻ và rất tiềm năng, tuy nhiên vấn đề quan trọng
nhất là phải giải quyết rất nhiều bài toán được đặt ra phía trước.
Việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi công suất trong truyền động điện
xoay chiều ba pha góp phần rất lớn để phát triển ngành công nghiệp đó. Đặc biệt là
trong xu thế hiện nay, do sử dụng rất nhiều các hệ truyền động xoay chiều ba pha
sử dụng động cơ xoay chiều ba pha.
2.1. BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA
2.1.1. Đặc điểm chung

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ điều áp xoay chiều ba pha
Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng cắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều
ra tải từ nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn.
21


Trong máy điện có thiết bị là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện điều này, tuy
nhiên việc điều chỉnh này phải tiến hành qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt
trên các vòng dây biến thế, vì vậy nó không bền, phản ứng chậm, nhưng cơ bản là
điện áp ra tải luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh.
Khi chế tạo các bộ điều áp xoay chiều ta sử dụng các van bán dẫn, sẽ có
những đặc điểm sau:
+ Ưu điểm: dễ dàng điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, có độ tin
cậy và tuổi thọ tương đối cao, dễ dàng sửa chữa và thay thế các linh kiện.
+ Nhược điểm: điện áp ra tải không sin trong toàn bộ dải điều chỉnh, ta càng
điều chỉnh giảm điện áp ra thì thành phần song hài bậc cao càng lớn.
Trong điều áp xoay chiều ba pha làm việc với nguồn là xoay chiều và tải cũng
là xoay chiều nên ta sử dụng van bán dẫn là van TRIAC, van TRIAC là van duy
nhất có thể cho dòng điện chạy theo cả chiều ngược và chiều thuận. Ta có thể ghép
hai van tiristor đấu song song ngược nhau hoặc ghép một tiristor với một diode.

Hình 2.3 Sơ đồ phụ tải đấu sao mạch sáu van tiristor có dây trung tính
Sơ đồ hình 2.3 dùng cách đấu hai tiristor giống như một TRIAC, sơ đồ đấu nối
kiểu này rất phổ biến trong thực tế, đặc điểm của nó tương đương như trong mạch
đấu ba TRIAC. Với mạch này ta có thể điều khiển riêng từng pha một, tải ở đây có
thể là tải đối xứng hoặc không. Do mạch đấu là có dây trung tính cho nên điện áp
đặt vào các van là điện áp pha.
+ Điều áp xoay chiều ba pha tải đấu sao và không có dây trung tính:

Hình 2.4 Mạch sáu van tiristor không có dây trung tính
Điều chỉnh điện áp ra tải phụ thuộc vào góc α. Trong trường hợp tổng quát có
sáu đoạn xung điều khiển không đối xứng, đối xứng khi cả ba van dẫn, không đối
xứng khi hai van dẫn.
Ta giả thiết là tải đối xứng và khi điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và
góc mở van lệch nhau một góc 1200. Khi ta đóng hay mở một van của pha nào đó
sẽ làm thay đổi dòng điện của hai pha kia. Khi dòng qua cả ba pha thì điện áp trên
mỗi một pha đúng bằng điện áp pha, còn khi dòng qua hai pha thì điện áp bằng một
nửa điện áp dây.
Xét trường hợp tải là thuần trở:
+ Với góc 0o ≤ α ≤ 60o thì chỉ có ba van hoặc hai van cùng dẫn.
+ Với góc 60o ≤ α ≤ 90o thì chỉ có hai van cùng dẫn hoặc không van nào dẫn.
24


+ Với góc 90o ≤ α ≤ 150o thì có hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn.
•

Xét với trường hợp: 0o ≤ α ≤ 60o
Ta có dạng điện áp của pha A với α = 30o là:

Hình 2.5 Đồ thị điện áp với α = 30o