Trang 1 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
CHƯƠNG 4 BỘ NGUỒN AC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC

IV. 1 BỘ NGUỒN AC BÁN DẪN:
1. Phân loại:
Bộ nguồn xoay chiều bán dẫn chỉ chung các thiết bò sử dụng mạch điện tử công suất để
cung cấp năng lượng điện AC cho các tải công nghiệp và dân dụng, ta có thể gặp các loại sau:
- Ổn áp AC dùng bán dẫn dùng các mạch điều khiển áp AC hay sử dụng các ngắt điện
bán dẫn để đổi nối biến áp tự ngẫu nhằm ổn đònh áp (dòng) ra ở giá trò mong muốn. Ưu điểm lớn
nhất của các thiết bò này là gọn nhẹ, giá thành thấp, tác động nhanh so với các thiết bò có chuyển
động. Một nhược điểm lớn của nhóm này là khả năng quá tải kém vì dùng các ngắt điện bán dẫn
và áp ra không hình sin khi sử dụng điều khiển pha.
- Các bộ nguồn không gián đoạn (UPS) dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bò sử
dụng điện lưới mà sự gián đoạn nguồn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng.
- Các bộ nguồn cho thiết bò gia nhiệt sử dụng dòng điện cảm ứng (dòng Foucault), thường
có tần số cao hơn tần số công nghiệp (trên 500 Hz). Đây là đối tượng khảo sát của chương 5.
- Các bộ biến đổi tần số dùng cho điều khiển động cơ AC. Các BBĐ này biến đổi điện
lưới (1 hay 3 pha) thành 3 pha có tần số và điện áp thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Có
hai loại: biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ điều khiển pha đảo chiều và biến tần có qua trung gian
một chiều. Một lưu ý là trong công nghiệp, các bộ biến tần hay được gọi là nghòch lưu
(INVERTER), có lẽ vì trọng tâm của thiết bò là bộ nghòch lưu, vốn là một mạch ĐTCS rất phức
tạp.
Khác với bộ nguồn DC và bộ điều khiển động cơ DC, các bộ nguồn AC và bộ điều khiển
động cơ AC có sơ đồ động lưc và điều khiển rất khác biệt vì tải của chúng rất đa dạng. Và vì thế
mà mỗi loại sẽ được giới thiệu ở một phần khác nhau.
2. Bộ nguồn không gián đọan (UPS – bộ lưu điện):
Để cung cấp năng lượng cho tải
AC khi mất nguồn, UPS sử dụng bộ
nghòch lưu độc lập biến đổi năng lượng
tích trữ trong accu thành điện xoay chiều
tần số lưới cung cấp tiếp tục cho tải. Do

điều chế hình sin, đưa qua bộ lọc tần số cao để có được dạng sóng giống như điện lưới, tránh
việc tăng tổn hao của các tải dùng điện.
Sơ đồ khối bộ nghòch lưu có đầu vào là áp DC của bình accu 24 V và ngỏ ra hình sin
220 VAC công suất bé (< vài Kw):
Accu å [NL1 å BA tần số cao å CL å Lọc 1 ]å NL2 å Lọc 2 å tải
Cụm biến đồi áp DC [ ] dùng để nâng áp từ 24 VDC ra 300 VDC, sử dụng Nghòch Lưu 1
có sơ đồ điều rộng 1 xung với biến áp có điểm giữa. Biến Áp tần số cao giúp giảm kích thước và
tăng hiệu suất hệ thống. Nghòch Lưu 2 là điều rộng xung hình sin dùng vi điều khiển nên mạch
điện đơn giản, kinh tế.
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, sơ đồ khối trên bắt đầu áp dụng cho
cả UPS loại off-line, nhằm tăng chất lượng thiết bò.
IV. 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TĐĐ AC:
1. So sánh động cơ AC và DC:
Động cơ AC gồm có động cơ đồng bộ (ĐB ) và không đồng bộ (KĐB). Nếu động cơ ĐB
chỉ được dùng khi công suất rất lớn (hàng MW) do cấu tạo phức tạp và khó điều khiển thì KĐB
lại rất phổ biến do cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp. Ta có thể gặp động cơ KĐB ở mọi
ngành kinh tế quốc dân, từ dân dụng đến công nghiệp.
Ta có các so sánh sau về hai loại động cơ một chiều và KĐB sau:
Động cơ DC

Cấu tạo phức tạp, giá thành cao
Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn
Yêu cầu bảo trì thường xuyên
Momen khởi động, khả năng quá tải
(momen) lớn
Dòng khởi động lớn và không thể khỡi
động trực tiếp
Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng
cách thay đổi áp phần ứng
Động cơ KĐB

p
⋅
= , tính bằng vòng/phút (RPM) hay 2. .
o
wf
π
= khi tính bằng rad/s, với
f là tần số , p là số đôi cực. Momen quay là kết quả của sự tương tác của từ trường rotor và từ
trường quay này. Ở động cơ đồng bộ, từ trường rotor do nam châm vónh cửu hay dòng kích từ tạo
ra. Ở động cơ KĐB, từ trường rotor là do dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây rotor với nguồn
kích thích là TTQ xtator. Rotor không thể quay đồng bộ (cùng tốc độ) với TTQ vì khi đó sức điện
động cảm ứng bằng không dẫn đến dòng bằng không.
Khi khảo sát sự làm việc trong chế độ xác lập, mô hình của động cơ KĐB là một biến áp
có thứ cấp quay. Khi rotor quay với tốc độ là w
r
, nó có độ trượt so với TTQ bằng
or
o
ww
s
w
−
= và
tần số dòng điện rotor sẽ bằng
.
ro
fsf
= , mạch tương đương của động cơ được trình bày trên hình
IV.1.1 (d) và (a) khi quy đổi mạch rotor về xtator, trong đó:
X1, R1: điện kháng tản và điện trở

XTATOR
U
U
jXnm
jXu
jX1
R'2/s
jXu
jX'2
R'2/s
R1
Ro

Hình IV.1.1.(c) Từ trường quay xtator w
o
và tốc độ rotor w
r
, (d), (a) và (b): Mạch tương đương
của động cơ KĐB.
Để tính toán đơn giản, người ta hay sử dụng mạch gần đúng hình IV.1.1 (b) khi bỏ qua R1,
Ro và ghép X1 + X’2 = Xnm. Khi đó:
Trang 4 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
dòng điện rotor quy đổi về xtator:
'
2
2
'
2
2
nm

Tổn hao của động cơ, xem như chỉ có ở điện
trở rotor , là

( )
2
''
222
3. . .
đt
P PRI sPΔΔ= = <IV.1.3>
và công suất cơ nhận được trên trục động cơ
là:
( )
.1
t đt
P MPP sP
ω
==−Δ=− <IV.1.4>
Từ đó có thể suy ra biểu thức của momen :

2.
t
t
t
M
M
ss
s s
=
+

P Mw=
và Momen tỉ lệ công suất điện từ và tổn hao rotor
..
o
P sMwΔ= <IV.1.8>.
Các nhận xét:
- Khi độ trượt s bé, momen M có thể xem tỉ lệ với độ trượt và theo <IV.1.1>
'
2
'
2
'
2
2
2
.
nm
UUs
I
R
R
X
s
=
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠

vì khi s bé,

từ <IV.1.8> suy ra momen tải phải giảm tỉ lệ nghòch với độ trượt:
.
o
P
M
s w
Δ
=
. Phương án này
thích hợp với tải quạt gió hay máy bôm ly tâm, các tải này có momen
M
c
tỉ lệ với w
n
, n > 2 –
đường cong (a) trên hình IV.1.2.
b. Mô hình động của động cơ KĐB:
Mạch tương đương khảo sát phần a. chỉ đáp ứng cho việc tính toán chế độ xác lập hay
quá độ không tính đến quán tính điện từ (giả sử mạch điện có đáp ứng tức thời). Để khảo sát đầy
đủ hơn, kể cả ảnh hưởng của bảo hòa từ trên đáp ứng của hệ thống, người ta sử dụng mô hình
động của động cơ KĐB.
* Một số kiến thức cơ sở máy điện: (Xem phụ lục chương IV : TTQ và các phép biến đổi)
- Biểu thức căn bản của momen động cơ: Từ nguyên lý momen của động cơ KĐB làdo sự
tác động của từ trường khe hở trên dòng điện trong rotor, người ta thành lập biểu thức momen
động cơ: Momen động cơ xoay chiều tỉ lệ với tích vector của dòng điện rotor và từ thông khe hở:
^^ ^ ^
33
.. .. . .sin
22
rr

,,
s ss
ss
s
vi
ψ
lần lượt là
vector giá trò tức thời của áp, dòng xtator, từ thông móc vòng đối với hệ trục cố đònh. Mỗi vector
có thể biểu điễn dưới dạng:
s
as bs cs
as bs cs
XXU XU XU=++ <IV.1.20>
với
,,
as bs cs
UUU là các vector cơ hệ ba pha (
24
33
1, ,
jj
ee
π π
) .
Nếu hệ trục tọa độ quay với tốc độ đồng bộ w, <IV.1.19> được viết lại:
s
ss
s
d
vRi

tương tự, chỉ số r để chỉ thông số rotor nhưng trong khảo sát ta luôn quy đổi về mạch xtator:
.
.
qr
qr r qr dr
dr
dr r dr qr
d
vRi w
dt
d
vRi w
dt
ψ
ψ
ψ
ψ
=++
=+−
<IV.1.23>
Vì rotor quay tốc độ w
r
nên đối với hệ trục quay tốc độ w, ta có tốc độ tương đối w – w
r

và <IV.1.23> phải bổ sung thành:
()
()
qr
qr r qr r dr

ψ
ψ
ψ
=+ +
=+ +
=+ +
=+ +
<IV.1.25>
trong đó L
l
là tự cảm tản, L
m
là tự cảm từ hóa, chỉ số s hay r chỉ rằng đại lượng thuộc về
xtator hay rotor.
Điện áp xung đối ở rotor v
r
đưa vào để nâng tính tổng quát của mô hình (nhớ lại mô hình
biến áp của động cơ). Với động cơ lồng sóc, đối áp này bằng 0 (ngắn mạch).
Trang 7 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
v v
i
i
qs
qs
s
s m
r m
_
_
ls lr

dr
_
qr
r
v
m
dr
ψ
r m
ds
v
ds
Ma
ïch tương đương trục d
Mạch tương đương trục q
R L = L L R
L
L = L L
L
L = L L
L = L L
R R
Hình IV.1.3
Từ đó có thể viết phương trình liên quan các thành phần dòng , áp xtator v
ds
, v
qs
, i
ds
,

=
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
−+−
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
−− −− +
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦
<IV.1.26>
- Thành lập biểu thức momen: từ <IV.1.18>, ta đổi sang hệ tọa độ (d,q):
*
3
(. .)
2
3
(. .)
2
33
.(. .) ...
22
hay khi thay thế bằng các gía trò tương đương
dm qr qm dr
dm qs qm ds
m drqs qrds msr
Mp i i
Mp i i
MpLiiii pLii
ψψ
ψψ
=−
=−

Hình IV.1.5 là mạch tương đương một pha
của động cơ khi có xét đến từ thông,
trong đó
^
m
V là vec tơ áp pha có suất (biên
độ) :
^
22
m
s s
Vvv
α β
=+,
,
s s
vv
α β
là các
điện áp ở hệ trục vuông cố đònh.
Từ thông xuyên (móc vòng) hay
sức điện động cảm ứng
^
r
ψ
có suất (biên
độ) :
^
22
rr

β
s
s
β
ψ
s
r
s
α
α
ψ
r
β
i
s
i
s
m
ψ
α
v
α
lr
α
r
ls
r
r
w
L

R

V
m
^
TH
w.
^
ψ
rr
TH
^
V =
TH
R
L

Hình IV.1.5 Mạch tương đương một pha và sơ đồ Thevevin khi xem L từ hóa bằng vô cùng
Trong nhiều trường hợp, L
m
lớn nên bỏ qua, ta có mạch Thevenin, trong đó:
R
TH
= R
s
+ R
r
và L
TH
= L

bảo trì thấp và hiệu suất làm việc rất cao vì như CM trên, tổn hao tỉ lệ độ trượt và công suất
điện từ.
Có hai phương pháp thực hiện: thay đổi số đôi cực p và điều khiển tần số.
Phương pháp 1 có các bất lợi là có nấc cố đònh, phải thực hiện khi chế tạo. Có thể đổi nối
cuộn dây để thay đổi số đôi cực (tỉ số tốc độ 2:1) hay chế tạo động cơ có nhiều cuộn dây để có tỉ
số đònh trước. Khi đóù kích thước, trọng lượng động cơ tăng cao.
Điều khiển tần số có thểø điều chỉnh vô cấp nhưng yêu cầu sử dụng bộ biến đổi tần số
phức tạp. Có hai loại biến tần bán dẫn:
- Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) – hình IV.1.4.a: Sử dụng các bộ chỉnh lưu điều khiển
pha làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải với góc kích SCR thay đổi liên tục sao cho áp ra là điện
xoay chiều. BBĐ này chỉ cho ra tần số khá nhỏ so với tần số lưới điện, thường sử dụng để cung
cấp cho động cơ công suất rất lớn, quay tốc độ chậm.
- Biến tần có trung gian một chiều:
có sơ đồ khối như hình IV.1.4.b. Điện lưới
được chỉnh lưu (có điều khiển hay không)
thành một chiều và sau đó nghòch lưu trở
lại xoay chiều. Đây cũng là sơ đồ khối cho
hầu hết những bộ nghòch lưu dùng trong
công nghiệp vì năng lượng điện của các
nhà máy đều lấy từ lưới.
Có hai loại biến tần có trung gian
một chiều phụ thuộc vào loại nghòch lưu
được sử dụng: Biến tần với nghòch lưu
nguồn dòng (NLND) và nghòch lưu nguồn
áp (NLNA). Các biến tần này có đặc tính
như bộ nghòch lưu tương ứng.
Như đã trình bày trong phần khảo
sát nghòch lưu, khi giảm tần số là cần giữ

Hình IV.1.3. So sánh đặc tính cơ hai phương án điều khiển

T4 T5 T6
R
L

Hình IV.1.4.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một pha
NL
NA
33
Lưới Tải
NL
ND
33
Lưới Tải
L
C
L

Hình IV.1.4.b: Biến tần có trung gian một chiều
Đối với động cơ rotor dây quấn, nhờ khả năng tác động vào mạch rotor, việc điều khiển
năng lượng trượt trở nên hiệu quả hơn. Có hai phương án:
* Sử dụng R phụ ở xtator: Khi đó M
t
không đổi, độ trượt tới hạn s
t
tăng theo R’2. Kết
quả là phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng, Tổn hao rotor tiêu tán chủ yếu trên R phụ nên
không làm phát nóng động cơ ở độ trượt s lớn.
* Sử dụng sức điện động xung đối ở mạch rotor, còn gọi là hệ thống nối cấp. Khi đó, năng
lượng trượt được tái sinh về lưới hay biến ra cơ năng cung cấp cho tải, không những phạm vi điều
chỉnh tốc độ được nới rộng mà hiệu suất toàn hệ thống còn được nâng cao. Nhược điểm là hệ

- Hạn chế dòng
- Tào hàm dốc (RAMP)
- Liên động, điều khiển logic và
nối mạng
LƯỚI
khối SCR
T1 T2
G
CONTACTOR (*)
CB
M
ĐỘNG CƠ KĐB
CT
CONTACTOR (*)

Hình IV.2.1. Sơ đồ khối bộ soft start, trong đó các phần tử
có dấu (*) là tùy chọn, chỉ dùng cho các hệ thống đắt tiền. Hình IV.2.2. Đặc tính cơ của động cơ ngẫu lực
(Torque motor) khi điều chỉnh áp.
Một ứng dụng khác, ít phổ biến hơn, là sử dụng bộ điều khiển áp động cơ AC để tiết kiệm
điện năng. Khác với máy biến áp, động cơ KĐB có dòng không tải khá lớn do có khe hở xtator-
rotor trong mạch từ. Do đó tổn hao khi làm việc không tải lớn và làm giảm hiệu quả sử dụng
động cơ. Khi đó, việc giảm áp cung cấp không làm giảm tốc độ nhưng sẽ làm giảm dòng dẫn đến
giảm tổn hao công suất. Hàm điều khiển là giảm nhỏ nhất dòng qua mạch ở mọi chế độ làm
việc, có hạn chế áp tối thiểu và tối đa. Khi đang làm việc ổn đònh, nếu dòng tăng ta sẽ tăng áp
đến khi dòng qua cực tiểu và ngược lại.
2. Ly hợp trượt (động cơ VS) :
Một hệ thống rất phổ biến ở các nước Đông Á (Nhật, Đài loan) là động cơ VS hay ly hợp

lần lượt là công suất và tốc độ của phần sơ và thứ cấp và M là
Trang 12 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
momen của hệ thống, ta có:
P1= M.
ω1
và P2= M.
ω2
suy ra tổn hao trong khớp theo giản đồ hình IV.2.5:
ΔP = P1
−
P2 = M.
ω1 −
M.
ω2
= s. M.
ω1
<IV.2.1>

như ở động cơ KĐB.

M, w1 M, w2
PI
Máy phát
tốc
Phản hồi
tốc độ
Phát
xung
Đặt
tốc

≡
N.
φ
.f N: số vòng dây,
φ
: từ thông , f: tần số
suy ra U / f = hằng số để từ thông
φ
không đổi.
Thực tế, do sụt áp trong cuộn dây xtator còn
do điện trở, khi tần số đủ bé thì áp không còn giảm tỉ
lệ (đøng cong b. của hình IV.3.1). Khi từ thông được
giữ không đổi, ta có thể chứng minh là momen của
động cơ có thể tạo ra cũng không đổi (xem đặc tính cơ
trên hình IV.I.3 của biến tần SYSDRIVE hảng
OMRON). Cũng giống như động cơ DC, khi làm việc
với từ thông không đổi, đặc tính phụ tải của động cơ
sẽ là momen không đổi và khi làm việc với tần số lớn
hơn đònh mức, điện áp động cơ được giữ không đổi và
ta có đặc tính phụ tải là công suất không đổi. Biến tần
cung cấp điện áp là một hàm của tần số được gọi là
biến tần V/F.
f
U/m
(a)
(b)
(c)
(d)

Hình IV.3.1: Đặc tính U / f: theo lý thuyết

/ 5 , U
7
= + U
1
/ 7 . U1 là biên độ
hài cơ bản (bậc n = 1).
- Đối với nghòch lưu nguồn dòng, dòng qua động cơ là những xung vuông, có quan hệ như
ví dụ sóng hài áp trên.
V
CB
A
S5S4
+
S3S1
S6
S2
_
D1 D2 D3
D6D5D4
Hình IV.3.2: Mạch động lưc.

Dạng áp dây và pha NL nguồn áp 6 nấc.
Trường hợp đặc biệt là khi hệ thống có điều chế, biên độ sóng hài ở tần số sóng mang rất
cao nhưng dòng điện tương ứng thường rất bé, không đáng kể như khảo sát sóng hài dòng điện
sau đây:
- Đối với nghòch lưu nguồn áp, sóng hài dòng có thể tính từ sóng hài điện áp theo nguyên
lý xếp chồng từ tổng trở động cơ (hình IV.1.1.b) đối với hài bậc n:
()
2
'

Trang 14 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
2
/
Rn nm
I In , chỉ số “
R
“ dùng để chỉ giá trò hiệu dụng,
1
/
nm nm
I VX= là dòng ngắn mạch của
động cơ, còn gọi là dòng khóa rotor (dòng qua động cơ khi rotor không quay) hay quen thuộc
hơn: dòng khởi động.
b. Phát nóng phụ:
Vì phát nóng trong mạch tỉ lệ với bình phương giá trò hiệu dụng dòng điện, khi sử dụng
dòng điện không sin, động cơ phải chòu thêm sự phát nóng của sóng hài dòng điện, gọi là phát
nóng phụ ΔP
Σn
. Với dạng sóng nghòch lưu áp 6 nấc, ta có:

2
'
2
2
3. . , 5,7,11,13...
nm
n
n
I
PR n

- Momen đập mạch do sự tương tác của các từ trường không cùng tần số, đáng chú ý nhất
là momen M
6
, tạo ra do sự tương tác giữa hai sóng hài bậc 5 và 7, M
6
là phách nên tỉ lệ với
| I
5
– I
7
| . Trong hệ thống dùng nghòch lưu áp 6 nấc, I
5
– I
7
= I
nm
/ 50 và một cách gần đúng, ta
có thể xem momen tỉ lệ với dòng điện, có thể suy ra momen đập mạch M
6
lớn hơn 10 %
momen đònh mức của động cơ.
Khi tần số làm việc thấp, ảnh hưởng của sóng hài bậc cao trở nên quan trọng hơn và trong
các hệ thống điều khiển tần số động cơ KĐB, ta luôn phải giải quyết bài toán hạn chế sóng hài
bên cạnh việc điều khiển điện áp.
3. Các phương pháp điều khiển điện áp biến tần qua trung gian một chiều:
Có hai phương pháp điều khiển điện áp:
- Điều khiển biên độ áp ra bằng các thay đổi áp trung gian một chiều. Có thể dùng chỉnh
lưu SCR ở ngỏ vào hay chỉnh lưu diode + BBĐ áp DC. Phương án đầu đơn giản hơn nhưng áp DC
có nhấp nhô cao hơn, cần mạch lọc đắt tiền để có áp một chiều phẳng. Phương pháp này sử dụng
chủ yếu cho biến tần nguồn dòng.