Đồ án dtcs khởi động mềm động co·

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba còn đang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy xxx đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này.Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn về môn học mà còn giúp em dược tiép xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việc theo nhóm.Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt.

THIẾT KẾ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ CÔNG BA PHA

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹthuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử cócông suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nóvào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hếtsức mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của côngnghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưunhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhàmáy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vàotrong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn,chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết

Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kếđông đảo và tài năng Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũnày, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng.Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinhviên TĐH Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng

là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện

tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba còn đang ngồi trong ghế nhàtrường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn

giúp đỡ của thầy giáo Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy xxx đã tận tình

chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này

Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn

về môn học mà còn giúp em dược tiép xúc với một phương pháp làm việc mới chủđộng hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việc theonhóm.Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em vềnhiều mặt

Hà Nội, tháng 12, năm 2021Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha 1

1.2 Các hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ không đồng bộ 2

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 2

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 3

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto 5

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn 6

1.3 Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ 7

1.4 Giới thiệu về van Thyristor 11

1.5 Phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha 15

1.5.1 Các sơ đồ ứng dụng 15

1.5.2 Phân tích sơ đồ lựa chọm 16

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 20

2.1 Thiết kế mạch lực 20

2.1.1 Sơ đồ mạch lực 20

2.2 Tính chọn van mạch lực (Chọn Thyristor) 20

2.2.1 Chọn van Thyristor 20

2.3 Tính chọn các phần tử bảo vệ 21

2.3.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 21

2.3.2 Bảo vệ quá điện áp cho van 22

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển 24

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 25

3.2.1 Khâu đồng pha 25

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 27

3.2.3 Khâu so sánh 29

3.2.4 Khâu phát xung chùm 30

3.2.5 Chọn cổng AND 32

3.2.6 Khâu khuếch đại xung 33

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 37

4.1 Sơ đồ mạch lực 37

4.2 Sơ đồ mạch điều khiển 38

4.4 Kết quả mô phỏng 40

4.4.1 Đặc tính phát xung 40

4.4.2 Đặc tính điện áp ra 41

KẾT LUẬN 42

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 1

Hình 1.2: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 2

Hình 1.3: Bộ điều áp xoay chiều 3

Hình 1.4: Đặc tính cơ của hệ BT-ĐCKĐB 3

Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ biến tần 4

Hình 1.6: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto 5

Hình 1.7: Đặc tính cơ của ĐK roto dấy quấn 5

Hình 1.8: Biến trở 5

Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto 6

Hình 1.10: Sơ đồ tầng điện 6

Hình 1.11: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ Q1: aptomat chính; F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: công tắc tơ chính; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải 7

Hình 1.12: Sơ đồ khởi động sao – tam giác động cơ không đồng bộ; Q1: ap to mat chính;F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: công tăc tơ chính; K2: công tắc tơ nối tam giác; K3: công tăc tơ nối sao; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải 8

Hình 1.13: Đặc tính khởi động sao – tam giác; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện 8

Hình 1.14: Bộ khởi động mềm dùng mạch thyristor song song ngược 9

Hình 1.15: Đặc tính khởi động mềm; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện 10

Hình 1.16: Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động 10

Hình 1.17: Thyristor (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu 11

Hình 1.18: Đặc tính vôn-ampe của Thyristor 11

Hình 1.19: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển 14

Hình 1.20: Các dạng sơ đồ xung áp xoay chiều ba pha 16

Hình 1.21: Sơ đồ mạch lực lựa chọn 16

Hình 1.22: Đồ thị dạng điện áp trên tải tại góc điều khiển 17

Hình 1.23: Đồ thị điện áp trên tải với tải điện trở thuần 18

Hình 1.24: Đồ thị điện áp trên tải pha A với α = 60¬o 19

Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực 20

Hình 2.2: Cánh nhôm tản nhiệt 21

Hình 2.3: Mạch R-C bảo vệ quá áp do chuyển mạch 22

Hình 2.4: Bảo vệ quá điện áp từ lưới 22

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc 24

Hình 3.2: Giản đồ các tầng điều khiển 25

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha 25

Hình 3.5: Đồ thị điện áp răng cưa 27

Hình 3.6: Khâu so sánh 29

Hình 3.7: Tín hiêu xung sau khâu so sánh 29

Hình 3.8: Sơ đồ chân IC 741 30

Hình 3.9: Khâu phát xung chùm 30

Hình 3.10: Khâu tách xung 31

Hình 3.11: Đồ thị tạo xung chùm 31

Hình 3.12: Tạo xung chùm có độ rộng bằng 1800-α 32

Hình 3.13: Cổng AND 32

Hình 3.14: Sơ đồ chân IC4073 32

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý 33

Hình 3.16: Biến áp xung 34

Hình 4.1: Sơ đồ mạch lực 37

Hình 0.1: Sơ đồ mạch điều khiển 38

Hình 0.2: Sơ đồ mô phỏng toàn mạch 39

Hình 4.15: Đặc tính các tầng điều khiển của điều áp xoay chiều 3 pha 40

Hình 4.16: Đồ thị điện áp ra điều áp xoay chiều 3 pha, xung chùm, góc mở α = 30o 41

Bảng 2.1: Thông số lựa chọn van Thyristor 21

Bảng 2.2: Bảng lựa chọn các thiết bị mạch lực 23

Bảng 3.1: Thông số các thiết bị khâu đồng pha 26

Bảng 3.2: Thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa 28

Bảng 3.3: Thông số các thiết bị khâu so sánh 30

Bảng 3.4: Thông số các thiết bị khâu phát xung chùm 31

Bảng 3.5: Bảng liệt kê thiết bị mạch điều khiển 36

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha

Trong công nghiệp thường sử dụng nhiều loại động cơ song chúng ta cần chọnloại động cơ sao cho phù hợp nhất để vừa đảm bảo yếu tố kinh tế vừa đẩm bảo yếu tố

kỹ thuật Dưới đây là 1 vài loại động cơ thường gặp:

 Động cơ điện một chiều

Loại động cơ này có ưu điểm là có thể thay đổi trị số của mômen và vận tốc góctrong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng nhưng chúnglại có nhược điểm là giá thành đắt, khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu tư để đặt thiết

bị chỉnh lưu, do đó được dùng trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy,máy trục, các thiết bị thí nghiệm

 Động cơ điện xoay chiều: bao gồm 2 loại: một pha và ba pha

 Động cơ xoay chiều một pha có công suất nhỏ do đó chỉ phù hợp chodân dụng là chủ yếu

 Động cơ xoay chiều ba pha: gồm hai loại: đồng bộ và không đồng bộĐộng cơ ba pha đồng bộ có ưu điểm hiệu suất cao, hệ số tải lớn nhưng cónhược điểm: thiết bị tương đối phức tạp, giá thành cao vì phải có thiết bị phụ để khởiđộng động cơ, do đó chúng được dùng cho các trường hợp cần công suất lớn(>100kW), và khi cần đảm bảo chặt chẽ trị số không đổi của vận tốc góc

Động cơ ba pha không đồng bộ gồm hai kiểu: rôto dây cuốn và rôto lồng sóc

 Động cơ ba pha không đồng bộ rôto dây cuốn cho phép điều chỉnh vậntốc trong một phạm vi nhỏ (khoảng 5), có dòng mở máy thấp nhưngcos thấp, giá thành đắt, vận hành phức tạp do đó chỉ dùng hợp trongmột phạm vi hẹp để tìm ra vận tốc thích hợp của dây chuyền công nghệ

 Động cơ ba pha không đồng bộ rôto lồng sóc có ưu diểm là kết cấu đơngiản, giá thành hạ, dễ bảo quản, song hiệu suất thấp (cos thấp) so vớiđộng cơ ba pha đồng bộ, không điều chỉnh được vận tốc

Từ những ưu, nhược điểm trên cùng với điều kiện hộp giảm tốc, ta chọn Động

cơ ba pha không đồng bộ rôto lồng sóc

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

1.2 Các hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ không đồng bộ

Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện mộtchiều Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điều chỉnh tốc độ động

cơ không đồng bộ không gặp nhiều khó khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằngphẳng khi điều chỉnh vànăng lượng tiêu thụ

Phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện:

 Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôicực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện

 Trên rotor: Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa sđđ phụ vào rotor.Một số hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ:

 Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện trở xung trong mạch roto

 Hệ điều khiển động cơ không đồng bộ bằng bộ điều chỉnh điện áp xoaychiều dùng Thyristor Hệ điều chỉnh pha Thyristor- Động cơ

 Hệ biến tần- động cơ không đồng bộ

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp

Nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượt tới hạn sm sẽkhông đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với bình phương diện áp

Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi khi thay đổi điện áp

Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảmđiện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi

Hình 1.2: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp

Thay đổi điện áp nguồn có thể áp dụng những cách sau:

 Biến áp xoay chiều

 Phân áp bằng điện kháng

 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Hình 1.3: Bộ điều áp xoay chiều

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệgiữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M

Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1:

Với C – hệ số

Khi thay đổi tần số đặc tính cơ thay đổi

Họ đặc tính cơ với U1 = const

Hình 1.4: Đặc tính cơ của hệ BT-ĐCKĐB

Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số:

Hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ biến tần

 Rectifier – chỉnh lưu (AC → DC)

 Inverter – Nghịch lưu (DC → AC)

 f – control – điều khiển tần số

Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f1’, căn cứ vào điều kiệnnăng lực quá tải không đổi:

Do đó:

Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu mômen không đổi:

Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ nghịch vớitần số:

Do đó:

Khi thay đổi tần số f1, phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ

Trường hợp U1/f = const và tần số giảm có đặc tính cơ trên đồ thị, cách điềuchỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần MC = const khi vận tốc thay đổi

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

Hình 1.6: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạchrôto của động cơ rôto dây quấn

Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trởkhởi động

Họ đặc tính cơ của ĐK rôto dây quấn khi dùng biến trở điều chỉnh tốc độ.Đặc điểm điều chỉnh: Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm

Hình 1.7: Đặc tính cơ của ĐK roto dấy quấn

Biến trở làm việc theo nguyên tắc “băm xung”

Hình 1.8: Biến trở

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch

Phương pháp nầy gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm.Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh liên tụctrong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cởtrung bình

Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ:

Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn

Năng lượng trên rô to với tần số f2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện trở phụ đượcchỉnh lưu thành năng lượng một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu được biến đổi thànhnăng lượng xoay chiều tần số f trả về nguồn

Hình 1.10: Sơ đồ tầng điện

1.3 Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, được sử dụng rộngrãi trong công nghiệp Công suất động cơ nhỏ từ 1kW đến cỡ 30 kW, trung bình cỡ 30– 300 kW, cỡ lớn hơn 300 kW Các cơ cấu quay bằng động cơ rất đa dạng Có thể kể

ra một số loại tiêu biểu như bơm và quạt ly tâm, máy nén dạng piston hoặc trục vít, cácdạng băng truyền Động cơ truyền động ra cơ cấu quay thường qua dây đai cuaroa, quahộp số, trục khuỷu cardan Một số trường hợp nối trực tiếp với trục quay của cơ cấuqua khớp nối có chốt bằng then ngang

Động cơ có thể khởi động trực tiếp, đóng thẳng vào lưới điện bằng công tăc tơ

Sơ đồ cho trên hình 6.15, đặc tính cơ (mô men – tốc độ) và đặc tính cơ điện (dòng điện– tốc độ) của động cơ cho trên hình 6.17, đồ thị bằng nét đứt Trên đồ thị đặc tính cơchỉ ra mô men khởi động Mkđ, thường cỡ 1,25 đến 2 lần mô men định mức Mđm Mômen cực đại của động cơ Mmax cỡ 2,5 đến 3 lần Mđm Khởi động trực tiếp có thể pháthuy mô men khởi động lớn, thời gian khởi động ngắn dưới 5s Tuy nhiên khởi độngtrực tiếp có một số nhược điểm Thứ nhất là mô men khởi động lớn có thể dẫn đếntrượt dây đai, nhất là với những cơ cấu như bơm và quạt ly tâm thường có mô menquán tính lớn Độ giật lớn dẫn đến hao mòn ổ bi, khớp nối, dão dây đai, tăng chi phíbảo dưỡng, sửa chữa, tổn thất do dừng máy Thứ hai là dòng khởi động rất lớn, cỡ 7 –

8 lần dòng định mức động cơ Với những động cơ từ trung bình đến lớn dòng khởiđộng gây sụt áp trên đường dây, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị kháctrong mạng lưới, làm các rơ-le bảo vệ tác động, gây dừng máy không mong muốn Đểtránh sụt áp hệ thống cung cấp điện có thể phải phức tạp hơn, gây tốn kém Nói chungvới các động cơ lớn không cho phép khởi động trực tiếp

Hình 1.11: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ Q1: aptomat chính; F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: công tắc tơ chính; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải.

Sơ đồ khởi động sao – tam giác cho trên hình 1.12, đặc tính cơ và đặc tính

cơ điện cho trên hình 1.13.a, b, đồ thị các đường nét liền đậm Trên đường đặc tínhcũng thể hiện đặc tính tải Mc cho cơ cấu quạt gió, mô men cản tỷ lệ với bình phươngtốc độ Trên đường đặc tính cơ điện cho thấy khi chuyển tốc độ từ sao sang tam giácvẫn có thể có đỉnh dòng điện tương đối lớn, vượt ra ngoài đặc tính khi khởi động trựctiếp theo đường nét đứt

Hình 1.12: Sơ đồ khởi động sao – tam giác động cơ không đồng bộ; Q1: ap to mat chính;F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: công tăc tơ chính; K2: công tắc tơ nối tam giác; K3:

công tăc tơ nối sao; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải.

Các phương pháp khởi động như đổi nối sao – tam giác, dùng biến áp tự ngẫuhoặc cuộn kháng khởi động đều nhằm mục đích giảm điện áp đặt lên động cơ, do đógiảm được mô men giật ban đầu, giảm dòng khởi động Tuy nhiên các phương phápnày đều có nhược điểm là dùng những phần tử đóng cắt có tiếp điểm, quá trình khởiđộng vẫn nhảy cấp, vẫn có xung lực gây giật cơ cấu và xung dòng khởi động lớn

Hình 1.13: Đặc tính khởi động sao – tam giác; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện.

Hình 1.14: Bộ khởi động mềm dùng mạch thyristor song song ngược.

Bộ biến đổi bán dẫn sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều trên cơ sở cácthyristor song song ngược có thể được áp dụng như những bộ khởi động mềm động cơkhông đồng bộ Sơ đồ bộ khởi động mềm cho trên hình 1.14 Bằng phương pháp điềukhiển góc mở  cho các van bán dẫn điện áp đặt lên cuộn dây stator động cơ có thểtăng lên từ từ, đảm bảo hạn chế dòng điện và sinh ra mô men đủ lớn cho động cơ trongquá trình khởi động Hệ thống điều khiển bằng mạch điện tử sẽ cho phép cài đặt cáctham số của quá trình khởi động một cách linh hoạt Bộ khởi động cũng tham gia vàoquá trình dừng động cơ, tạo ra gia tốc giảm tốc độ một cách hợp lý Một số quá trìnhkhông được phép giảm tốc một cách đột ngột Ví dụ hệ thống băng tải nếu dừng động

cơ đột ngột có thể gây nên văng các vật trên băng ra ngoài Một bơm nước lên đườngống nếu dừng động cơ tức khắc thì nước trên đường ống sẽ dội trở lại gây nên áp suấtlớn trên cánh bơm, phần đường ống mất nước đột ngột sẽ tạo nên chân không, áp suấtgiảm mạnh có thể làm móp đường ống, không khí tràn vào mạnh có thể ảnh hưởng đếngioăng ở các mối nối Việc tạo nên một cách thức giảm với gia tốc vừa phải chỉ có thểthực hiện được với bộ khởi động dùng bán dẫn

Hình 1.15: Đặc tính khởi động mềm; (a) Đặc tính cơ; (b) Đặc tính cơ điện

Bộ khởi động mềm, dựa trên mạch điều áp xoay chiều, với kết cấu đơn giản, tincậy, kích thước nhỏ gọn, giá thành tương đối thấp, đã được áp dụng cho nhiều cơ cấutruyền động, công suất từ nhỏ đến lớn Sơ đồ cho trên hình 1.14 Đặc tính cơ và cơđiện cho trên hình 1.15 Có thể thấy mô men khởi động và dòng điện đều có thể làmtrơn, không gây nên các xung giật

Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động cho trên hình 1.16 Bộ khởi động bándẫn được thiêt kế sao cho có thể tạo nên đặc tính tăng tốc theo thời gian, thường từ 5 sđến 10s Dòng điện khởi động có thể được hạn chế khoảng 3 – 4 lần dòng định mứcđộng cơ đối với đa số các cơ cấu Cơ chế của mạch hạn chế dòng điện xảy ra một cách

tự động và có thể kéo dài thời gian tăng tốc thêm một vài giây Bộ khởi động tạo nênđiện áp ban đầu đưa vào động cơ khoảng 30 đến 60% điện áp định mức Điện áp đặtlên động cơ ban đầu phải có giá trị đủ lớn để sinh ra mô men thắng mô men cản đểđộng cơ có thể tăng tốc được Cần biết rằng mô men do động cơ sinh ra tỷ lệ với bìnhphương điện áp nên nếu điện áp ban đầu chỉ bằng 20% định mức thì mô men chỉ bằng0,22 = 0,04, nghĩa là 4% mô men định mức và động cơ sẽ không thể khởi động được.Quá trình dừng cũng có thể được cài đặt giống như lúc khởi động với hai tham sốchính: mức giảm điện áp và thời gian giảm tốc Mức tăng điện áp ban đầu và mứcgiảm có thể được lựa chọn khi cài đặt bộ khởi động cho cơ cấu trong lần chạy thử đầutiên

Hình 1.16: Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động.

1.4 Giới thiệu về van Thyristor

Hình 1.17: Thyristor (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n J 1 , J 2 , J 3 Thyristor có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G, như đượcbiểu diễn trên hình 1.17

1.2.2.1 Đặc tính vôn - ampe của Thyristor

Hình 1.18: Đặc tính vôn-ampe của Thyristor

Đặc tính vôn - ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.18) Phần thứ nhấtnằm trong góc phần thứ tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp

U AK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng

với trường hợp U AK < 0

1 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (I G = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điềukhiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa

anôt - catôt Khi điện áp U AK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J 1 , J 3

đều phân cực ngược, lớp J 2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai điôtmắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy

qua, gọi là dòng rò Khi U AK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất U ng,max sẽ xảy rahiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ởđoạn đặc tính ngược của điôt quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược

được, nghĩa là nếu có giảm điện áp U AK xuống dưới mức U ng,max thì dòng điện cũngkhông giảm được về mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng.

Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, U AK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một

dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anôt - catôt

vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J 1 , J 3 phân cực thuận, J 2 phân cực ngược Cho

đến khi U AK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, U th,max, sẽ xảy ra hiện tượng điệntrở tương đương mạch anôt - catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ

bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn

một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, I dt , thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên

đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt Đoạn đặc tính thuậnđược đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt -catôt thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện

2 Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I G > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt quá trình chuyểnđiểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận

đạt đến giá trị lớn nhất, U th.max Điều này được mô tả trên hình 2.6 bằng những đường

nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, I G1 , I G2 , I G3, Nói chung nếu

dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với U AK nhỏ hơn

Tình hình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trườnghợp dòng điều khiển bằng 0

Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theomột chiều, từ anôt đến catôt và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác

với điôt, để Thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp U AK > 0 còn cần

thêm một số điều kiện khác Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điềukhiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được

3 Mở Thyristor

Khi được phân cực thuận, U AK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ

nhất, có thể tăng điện áp anôt - catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,

U th,max Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt - catôt sẽ giảm đột ngột và dòngqua Thyristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tếkhông được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào

cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị U th,max Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợpThyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên,không định trước

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòngđiện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt Xung dòng điện điều khiển

sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện ápanôt - catôt nhỏ Khi đó nếu dòng qua anôt -catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là

dòng duy trì (I dt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cầnđến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa Điều này nghĩa là có thể điều khiển cácThyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạchđiều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần

tử đóng cắt, khống chế dòng điện

4 Khoá Thyristor

Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương

mạch anôt - catôt tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, I dt.Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt

lại dương (U AK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi

hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình

Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, U AK > 0, hai lớp tiếp giáp J 1 , J 3 phân

cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J 2 đang bị phân

cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J 1 , J 2 , J 3 Để khoá

Thyristor lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (I dt ) bằng cách hoặc

là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của Thyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt - catôt

(U AK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, t r, chỉ sau đóThyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều Trong thời gian phục hồi cómột dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt Dòng điện ngược này di tản các điện

tích ra khỏi tiếp giáp J 2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J 1 , J 3

được phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra

ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J 1 , J 3 đến điện áp ngượctại thời điểm đó

Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor Thời

gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor t r có giá trị cỡ 5 – 50 μs đốivới các Thyristor tần số cao và cỡ 50 – 200 μs đối với các Thyristor tần số thấp

1.2.2.2 Các thông số cơ bản của Thyristor

Các thông số của thyristor cũng bao gồm các thông số tĩnh và động, và cácthông số giới hạn Trong đó các thông số tĩnh lặp lại phần lớn giống như ở điôt

 Các thông số tĩnh:

 Điện áp ngưỡng khi thyristor bắt đầu dẫn dòng theo chiều thuận, U V0

 Dòng duy trì, được hiểu là giá trị ngưỡng dòng điện, bắt đầu từ đóthyristor mới có thể dẫn dòng giống như một điôt theo chiều thuận

 Điện trở tương đương khi dẫn dòng theo đặc tính vôn-ampe, r V,

 Sụt áp trên thyristor theo chiều thuận ứng với một dòng điện nào đó, U V

 Giá trị dòng ngược qua thyristor ứng với một điện áp ngược nào đó, I V,rev

 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, I V (A)

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt

độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép.Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiệnlàm mát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêuchuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra Thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bứcnhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn Vấn đề làm mát vanbán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo cácđiều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:

 Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến 30% I V

 Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng đến 60% I V

 Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% I V.

 Các thông số giới hạn chế độ làm việc:

- Điện áp ngược cho phép lớn nhất, U ng,max (V)

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor Trong các ứng

dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt -catôt U AK luôn nhỏ

hơn hoặc bằng U ng,max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp,

nghĩa là U ng,max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất củađiện áp trên sơ đồ đó

 Giá trị dòng cho phép lớn nhất theo chiều thuận, I VF,max

 Các thông số động:

- Thời gian phục hồi tính chất khoá của Thyristor, t r (μs)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt - catôt của Thyristor

sau khi dòng anôt - catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp U AK dương

mà Thyristor vẫn khoá t r là một thông số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trongcác bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng

thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 - 2 lần t r

- Tốc độ tăng điện áp cho phép,

Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được

phân cực thuận (U AK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép

dòng điện chạy qua Khi Thyristor được phân cực thuận phần lớn điện áp rơi trên lớp

tiếp giáp J 2 như được chỉ ra trên hình 1.19

Lớp tiếp giáp J 2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng khônggian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như

một tụ điện có điện dung C J2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn dòng điện của tụ

có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là Thyristor có thể

mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp đượcbảo vệ nhờ mạch RC song song với van

Hình 1.19: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt Thyristor tần số thấp với các

Thyristor tần số cao Ở Thyristor tần số thấp dU/dt vào khoảng 50 - 200 V/μs, với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt đến 500 – 2000 V/μs

- Tốc độ tăng dòng cho phép,

Khi Thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫncủa nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần vớicực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện.Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầuquá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đếnhỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 – 100 A/μs, với các Thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 – 2000 A/μs Trong các ứng dụng

phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép Điều này đạt được nhờ nốinối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ (xem hình 2.7) Cuộn kháng cóthể lõi không khí hoặc lõi ferit Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn đểtạo các điện kháng giá trị khác nhau tùy theo số lượng xuyến sử dụng Xuyến ferit tạonên các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ,điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng, khi dòng điện lớn cuộn kháng

bị bão hòa, điện cảm giảm gần như bằng không Cuộn kháng bão hòa không gây sụt áptrong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn

 Các thông số liên quan đến điều khiển (I G , U GK ).

Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catôt với dòng điện đi vào cực điềukhiển xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor Với cùng một loạiThyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một cặp giá trị tiêu biểu về dòng điện đi vào cựcđiều khiển và điện áp trên cực G so với cực K, ứng với một nhiệt độ môi trường nhấtđịnh mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở được chắc chắn một Thyristor Dòng

điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và catôt cũng làm phát nóng tiếp

giáp này Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất Công suất giớihạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng của xung điều khiển Nếu tín hiệu điềukhiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn

1.5 Phân tích sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha

1.5.1 Các sơ đồ ứng dụng

XAAC 3 pha có thể thực hiện theo các phương án như trên hình 1.20 Trên sơ

đồ hình 1.24 (a)các cặp Thyristor song song ngược, mắc nối tiếp giữa tải ba pha vànguồn Tải có thể đấu sao hoặc tam giác Sơ đồ này có thể áp dụng bán điều khiển, ví

dụ thay V4, V6, V2 bằng 3 điôt Sơ đồ trên hình 6.4 (b) lại dùng cách đấu tiết kiệmvan bán dẫn, trong đó ba van V1, V2, V3 khi dẫn dòng sẽ đóng vai trò tạo nên trungtính giả cho tải ZA, ZB, ZC Có thể thấy rằng dòng điện qua các van sẽ không đối xứng,

ví dụ dòng chạy giữa pha A và pha B, trong nửa chu kỳ chạy qua V1 thì nửa chu kỳsau phải chạy qua hai van nối tiếp V2, V3

Các sơ đồ trên hình 1.20 còn có thể dùng như những công-tăc-tơ tĩnh, nghĩa làđóng cắt tải không tiếp điểm Khi đó các Thyristor làm việc với góc điều khiển bằng 0

Ưu nhược điểm của sơ đồ

 Các sơ đồ XAAC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trongquá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều.

 Dạng điện áp ra phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển và tính chất của tải.Dạng điện áp ra cũng rất không sin

 Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là với tảithuần trở vì khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe

 Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trường hợp dải điều chỉnhđiện áp yêu cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thờigian ngắn, ví dụ trong các bộ khởi động động cơ

 Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của XAAC nếu sử dụng các van điềukhiển hoàn toàn Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điềuchế độ rộng xung ở mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới

Hình 1.20: Các dạng sơ đồ xung áp xoay chiều ba pha

Trong đồ án này, em lựa chọn sơ đồ mạch lực 1.20a

1.5.2 Phân tích sơ đồ lựa chọm

Hình 1.21: Sơ đồ mạch lực lựa chọn

Ta xét sơ đồ 1.21 với tải thuần trở đấu sao, Z A =Z B =Z C Đồ thị dạng điện áp trêntải với góc điều khiển được biểu diễn trên hình 1.21

Hình 1.22: Đồ thị dạng điện áp trên tải tại góc điều khiển

Góc điều khiển trong XAAC được tính từ thời điểm điện áp nguồn qua không.Cần lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha dòng có thể chảy qua cả 3 pha hoặc chỉqua 2 pha Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha.Khi dòng chỉ chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha tương ứng sẽ bằng một nửađiện áp dây

Điện áp trên tải UZA được hình thành theo:

 Khi cả 3 thyristor của cả 3 pha đều dẫn thì điện áp trên tải sẽ trùng vớiđiện áp pha của nó (Uza = Ua, Uzb = Ub, Uzc = Uc)

 Khi chỉ có 2 thyristor dẫn thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa điện ápdây của 2 pha mà có 2 thyristor dẫn (Uza = Uab/2 trong khoảng , Uzc

= Uac/2 trong khoảng )

Có thể xét tương tự cho các khoảng góc còn lại Kết quả thể hiện như trongbảng dưới đây

Với có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn

Với chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn

Với chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả

Hình 1.23: Đồ thị điện áp trên tải với tải điện trở thuần

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức:

Với UZA là giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải

 uZA là giá trị tức thời

 ua là giá trị tức thời của điện áp pha Α

 uab, uac là giá trị tức thời của điện áp dây Uab và Uac

Thay các giá trị điện áp tức thời vào biểu thức ta được giá trị hiệu dụng của điện

áp ra tải với từng trường hợp như sau:

Với 0 < α < 60o:

Với 60 < α <90:

Với 90 < α < 150: