---------------  --------------- Đồ án điện tử

Thiết kế bộ biến tần 3 pha để
điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ


Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện –bộ môn tự động đo lường đã chỉ bảo
trong thời gian làm đề tài.

Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004

Sinh viên thực hiện

SƠ LƯC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM

I- CẤU TẠO:
I-1: Cấu tạo phần tónh (stato)
Gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.
I-1.a Vỏ máy
:
Thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000 kw), thường dùng thép tấm hàn lại
thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố đònh và không dùng để dẫn từ.
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

2
I-1.b Lỏi sắt
:
Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại.
Lỏi sắt là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do
dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện. Mặt trong của lõi
thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn .
I-1.c Dây quấn
:


II- ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
- Cấu tạo đơn giản.
- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha.
- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n
1
.
Trong đó:
n tốc độ quay của roto.
n
1
tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

Hình.1-1 sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ.

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện
của các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong.
Dòng điện i
2
tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto và
mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường.
Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n
1.
Có sự chuyển động
tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i
2
và mômen. Vì tốc độ của roto
khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

(1-1)
1
1
n
nn
S
−

60
2
ω
1
n
π
MMP
1đt
==
(1-3)
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

Khi đó công suất điện đưa vào: (1-4)
ϕ
cos..3
1
IUP =
2
1
2
11
3 IrP
d
=∆
Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato.

Tổn hao sắt:

2222
.. rImP
d
=∆
(1-9)
M
2
số pha của dây quấn roto.
Vì p’
2
< p
đt
do đó n < n
1
Công suất cơ của p
2
đưa ra nhỏ hơn p’
2
vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn hao phụ
khác:
(1-10)
fcơ
pPPP ∆−∆==
22
'

Hiệu suất của động cơ:
)9,08,0(
1
2

S 100
1
1
−
=
(1-13)
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

6

Xét về mặt lý thuyết giá trò s sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100
o
/
oTrong đó :
(1-14)
)1(
60
1
1
1
snn
p
f
n
−=
=
(1-15)

1
1.c Khi roto quay:
Tần số trong dây quấn roto là: Vậy f
2s
= s.f
1
Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là:
Với f
2s
= s.f
1
thế vào (1-19), ta được:

2. Phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha.
6060
)(
1
1
11
2
pn
n
nnpnn
f

2
)'()
'
(
'
xx
S
r
r
U
I
+++
=

Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1.
Nếu điện áp đặt lên cuộn stato u
1
= const thì biểu thức (1 –29) chính là quan hệ giữa dòng điện
roto đã qui đổi về stato i’
2
với độ s hay với tốc độ n.
(1-29)
Do đó biểu thức (1-29)
chính là phương trình đặc tính tốc độ
.
2.b Phương trình đặc tính cơ.

()
⎥
⎥

M
ω
(1-35)

Biểu thức (1-35)
chính là phương trình đặc tính cơ.
Được biểu diễn quan hệ m = f(n) như hình 1-3
Giá trò s sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mômen quay sẽ có hai giá trò cực đại gọi là mômen tới
hạn (m
t
).
Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds = 0.
Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn m
t
gọi là hệ số trượt tới hạn.

2
21
2
2
2
)'(
'
xxr
r
S
th
++
=
(1-36)

=
ε
(1-38)

Ta được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ:
(1-39)
s = 0

+s
n
1
n
đm
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

8
( )
ε
ε
2
12
++
+
=
s
s
s
s
M
M

th
th
th
+
=
2
Nhận xét: từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu u
1
thay đổi
thì s
t
= const và m
t
thay đổi tỉ lệ với u
1
2

. Khi thay đổi điện trở mạch roto bằng cách thêm điện trở phụ
(đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì:
M
t
= const và s
t
tỉ lệ với r’
2
.
Khi xét đến điện trở trên mạch stato r

1
n
tF
xrr
Up
M
++
−=
ω

(1-
44
)

* s > 0 , n
1
> n trạng thái làm việc của động cơ.

(1-45)
22
1
2
'
n
xr
r
s
+
=
tđ

th
vẫn không thay đổi.
3.b nh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato :
Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato thì theo (1-36) và
(1-37) s
th
và m
th
đều giảm.
3.c nh hưởng của số đôi cực p

Ta có :

p
f
1
1
2
π
ω
=
(1-47)
suy ra :

)1(
1
s−=
ωω
(1-48)
khi thay đổi số đôi cực thì tốc độ từ trường quay

1
không đổi
- nếu f
1
< f
1đm
, với u
1
không đổi thì theo (1-1) dòng i
1
tăng nhanh. Điều này không cho phép nên khi
thay đổi f
1
thì phải thay đổi u
1
theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng bộ sinh ra được momen
như trong chế độ đònh mức.
4. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và các luật ;
4.a Điều chỉnh điện áp động cơ :
Momen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên có thể điều chỉnh
được momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp trong khi giữ nguyên tần số.
4.b Điều chỉnh điện trở mạch roto :
Ta có : r = r
r
+ r
f
, khi tăng giá trò điện trở tổng r tức là làm tăng độ trượt tới hạn s
th
còn
momen tới hạn m

U
K
U
LL
L
M
(1-49)
Điều kiện giữ cho khả năng quá tải không đổi là:
dm
thth
M
M
M
M
=
(1-50)
Luật điều chỉnh từ thông không đổi :
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

10
Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc từ
thông của stato
s
φ
không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào tần số và m
th
sẽ không thay đổi
trong toàn bộ quá trình điều chỉnh
Luật điều chỉnh tần số không trược .


→
u
nl
thay đổi )
4.f Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung :
ÂĐiều khiển biên độ
- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác đònh bằng cách so sánh
Giữa tín hiệu hình sin mẫu e(t) với tín hiệu dựa thường dạng răng cưa u(t). Tần số tín hiệu u(t) càng
lớn lớn thì điện áp ra tải càng gần hình sin hơn. Ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa
làm sin hoá điện áp đặt vào động cơ.
- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều chỉnh độ rộng
Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao.
- Do vậy phương pháp này rất hay sử dụng.
- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần thì
Không nhận điện áp từ lưới mà nhận điện áp từ nghòch lưu của biến tần
- Ta nhận thấy rằng sdd của dây quấn của stato trong động cơ không đồng bộ tỉ
Lệ với tần số đặt vào f
1

• Từ (1-54) ta thấy, để đảm bảo cho đặt tính cơ có độ cứng cao và khả năng qua tải lớn, đồng
thời điều chỉnh điện áp u
1
sao cho từ thông
φ
không đổi, nghóa là thay đổi
1
1
f
U
=
φ
để cho động
cơ hoạt động tối ưu.
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

12
- Nếu tần số f
1
giảm thì từ thông
φ
tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá tăng.
µ
I
- Nếu tần số f
1
tăng thì từ thông

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN

A- KHÁI NIỆM :

Biến tần là một thiết bò tổ hợp các linh kiên điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp
một chiều hay xoay chiều có tần số nhất đònh thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển
được nhờ các khoá điện tử.
B- PHÂN LOẠI:

Biến tần được chia làm hai loại :
1. Biến tần trực tiếp :
Còn được gọi là biến là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song
ngược cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng xoay chiều trên tải.
Như vậy điện áp xoay chiều u
1
(f
1
) chỉ cần qua một van
là chuyển ngay ra tải với u
2
(f
2
).
chỉnh lưu
lọc
Nghòch lưu
T1
Z tải
T2
Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van

2.a Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của động điện trên tải
phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là tuỳ thuộc vào các thông
số của tải quy đònh.
2.b Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp :
Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

14
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp ( nghóa là điện trở nguồn bằng
0 ). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải
phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy đònh.
Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dãi biến thiên
tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển,
+ Phần động lực gồm có các phần sau :
Bộ biến đổi
( mạch động lực )
Điều khiển
U
2
, f
2
U
1

Phát
xung chủ
đạo

Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

15
CHƯƠNG III

MẠCH ĐỘNG LỰC

Chỉnh
Lưu
Lọc
Nghòch
lưu

Tả
i
I.
BỘ NGHỊCH LƯU:
Các van bán dẫn trong bộ nghòch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito. Nhưng phù hợp và ưu việt
hơn ta dùng tranzito. Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng, hơn nữa các tổn hao đổi chiều
nhỏ hơn. Bộ nghòch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn bộ nghòch lưu tương đương dùng

D3 D5
Tụ c
o
có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bò thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng lượng phản
kháng với cuộn cảm.
Phương pháp điều khiển các van tranzito thông thường nhất là điều khiển cho góc mở của van
là
và . đây ta xét góc dẫn ới tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác đònh điện
áp trên tải trong từng khoảng thời gian 60
o
180=
λ
o
120=
λ
o
(vì cứ 60
o
có một sự chuyển tạng thái mạch ) với nguyên
tắc van nào dẫn coi là thông mạch. Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu
song song nha. Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có giá trò là u
z
/3 (khi một pha đấu song song, với 1
trong 2 pha còn lại) hoặc
. Với giả thiết là tải đối xứng.
3/2
z
U
¾ Nguyên tắc chuyển mạch :
Cho góc mở của mỗi tranzito là 180

T5 1 0 0 0 1 1
T6 1 1 0 0 0 1

Xét quá trình chuyển mạch từ t5 sang t2 tương ứng khoảng từ (
oo
600 ÷
) sang
(
)
oo
12060 ÷
Trong khoảng (
) thì t1, t5, t6, dẫn. Chiều dòng điện trên tải được xác đònh theo
chiều mũi tên, đến thời điểm 60
oo
600 ÷
o
thì đảo trạng thái từ t5 sang t2. Do trên tải zc mang tính cảm nên
dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lượng tích luỹ trong zc duy trì theo chiều cũ một thời gian,
lúc đó buộc dòng diện duy trì phải thoát qua diod d
2
, qua tải về âm nguồn đến lucs dòng điện đổi chiều
sẽ mang dòng điện duy trì thì d
2
khoá. Quá trình chuyển mạch kết thúc.
Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h e.
Đồ án Điện Tử Công suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com

17