Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các ngành sản xuất và kinh tế quốc dân đòi hỏi sự tham gia ngày càng sâu rộng của công nghệ điều khiển tự động nhằm nâng cao năng suất và tính chính xác trong quy trình vận hành. Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các thiết bị biến đổi và kiểm soát năng lượng điện có công suất lớn. Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha là thiết bị truyền động phổ biến nhất trong công nghiệp nhờ cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, độ tin cậy cao và dải công suất rộng từ vài watt đến hàng chục nghìn mã lực. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và quá trình khởi động của loại động cơ này đòi hỏi các phương pháp điều khiển phù hợp nhằm hạn chế dòng khởi động và điều chỉnh công suất hiệu quả.

Đề tài "Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha" do sinh viên Nguyễn Duy Long thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đặng Thị Tuyết Minh tại Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp (năm 2021) được triển khai nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính cơ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha.
  2. Phân tích nguyên lý làm việc của các sơ đồ bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha và các phương pháp điều khiển mở van bán dẫn (pha ngang và pha dọc).
  3. Đặt bài toán và tính toán, thiết kế mạch động lực điều áp xoay chiều ba pha sử dụng van Thyristor cho động cơ xoay chiều ba pha công suất 2,2 kW.
  4. Tính toán, thiết kế các khâu chức năng trong mạch điều khiển tương tự (analog) theo nguyên tắc điều khiển dọc.
  5. Xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng kiểm chứng hoạt động của mạch lực và mạch điều khiển trên phần mềm chuyên ngành PSIM.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều áp xoay chiều ba pha dùng Thyristor điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc có thông số định mức: công suất $P = 2{,}2\text{ kW}$, điện áp định mức $U = 380\text{ VAC}$, dòng điện định mức $I = 5{,}09\text{ A}$, tốc độ định mức $n = 1400\text{ vòng/phút}$. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở thiết kế giải tích mạch điện tử công suất, tính chọn linh kiện bảo vệ và mô phỏng trên máy tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết nền tảng của môn học Máy điện và Điện tử công suất:

  • Lý thuyết máy điện không đồng bộ ba pha: Mô hình toán học về sự hình thành từ trường quay với tốc độ đồng bộ $n_1 = \frac{60f_1}{p}$, hệ số trượt $s = \frac{n_1 - n}{n_1}$, phương trình điện áp Stator - Rotor và phương trình mômen cơ điện: $$M = \frac{2M_{th}}{\frac{s}{s_{th}} + \frac{s_{th}}{s}}$$
  • Lý thuyết biến đổi điện áp xoay chiều: Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (ĐAXC) biến đổi điện áp nguồn AC cố định thành điện áp AC có thể điều chỉnh trị số hiệu dụng nhưng giữ nguyên tần số ($f = 50\text{ Hz}$).
  • Nguyên lý điều khiển mở van pha dọc: So sánh điện áp tựa dạng răng cưa ($U_{rc}$) đồng bộ với tần số lưới điện và điện áp điều khiển một chiều ($U_{đk}$) để xác định chính xác thời điểm phát xung mở van tại góc kích $\alpha$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Tổng hợp các sơ đồ mạch lực điều áp xoay chiều ba pha (dùng Triac, Thyristor đấu song song ngược, van đấu tam giác tải nối sao...) và các cấu trúc mạch phát xung điều khiển.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức tính toán dòng điện định mức, điện áp ngược cực đại, tổn hao nhiệt, quá độ $di/dt$, $du/dt$ và tỷ số biến áp xung để chọn lựa linh kiện từ bảng tra cứu thiết bị điện tử công suất.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng gói phần mềm PSIM (bao gồm PSIM Schematic, PSIM Simulator và PSIM View) để xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch phát xung điều khiển và trích xuất dạng sóng điện áp tải ứng với các góc mở $\alpha = 30^\circ$ và $\alpha = 60^\circ$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng mạch động lực đến cấu trúc mạch điều khiển analog đa tầng:

[ Nguồn xoay chiều 3 pha (380V/50Hz) ]
 [ Biến áp nguồn ]     [ Mạch động lực: 6 Thyristor T86N ]

Thông số tính chọn phần tử mạch lực

Hệ thống sử dụng sơ đồ 6 Thyristor đấu từng đôi song song ngược trên ba pha nguồn không có dây trung tính.

Phần tử / Thông số Giá trị tính toán / lựa chọn Ghi chú kỹ thuật
Loại van Thyristor T86N (Tây Âu) Dải điện áp $1200\text{V} - 1800\text{V}$, $I_{tb} = 86\text{A}$
Giới hạn biến thiên dòng/áp $di/dt = 150\text{ A/}\mu\text{s}$, $du/dt = 1000\text{ V/}\mu\text{s}$ Tính toán chọn $du/dt$ làm việc $200\text{ V/}\mu\text{s}$
Chế độ làm mát Làm mát tự nhiên Làm việc ở $25%$ dòng điện định mức
Cuộn cảm bảo vệ quá dòng $L = 3\text{H}$ Mắc nối tiếp hạn chế tốc độ tăng dòng $di/dt$
Mạch RC bảo vệ quá áp $R = 12,\Omega$ ($3\text{W}-5\text{W}$), $C = 0{,}25,\mu\text{F}$ Mắc song song từng van Thyristor
Thiết bị bảo vệ ngắn mạch Aptomat (AT) $I_{đm(AT)} = (1{,}1 - 1{,}3) I_{đm(tải)}$, thỏa $I_{QĐ} < I_{ATNM} < I_{XV}$

Cấu tạo các khối trong mạch điều khiển

  1. Khâu đồng pha và tạo xung nhịp: Sử dụng biến áp hạ áp lấy tín hiệu ba pha từ nguồn lực, chỉnh lưu hai nửa chu kỳ qua Diode 1N4002 và đưa vào bộ khuếch đại thuật toán OA TL082 để so sánh với điện áp ngưỡng, tạo xung đồng bộ tương ứng chu kỳ lưới $50\text{ Hz}$.
  2. Khâu tạo điện áp tựa răng cưa: Sử dụng OA TL082 phối hợp transistor n-p-n BC107 mắc song song tụ điện $C$. Tụ được nạp tuyến tính bằng đầu ra OA và phóng nhanh qua transistor bão hòa khi có xung đồng pha, tạo dải quét tương ứng góc $\alpha_{max} = 150^\circ$.
  3. Khâu so sánh điện áp: Sử dụng OA TL082 so sánh điện áp răng cưa đưa vào cửa không đảo $(+)$ với điện áp điều khiển $U_{đk}$ đưa vào cửa đảo $(-)$ để xác định chính xác thời điểm lật trạng thái.
  4. Khâu tạo dao động và xung chùm: Mạch tạo dao động tích phân dùng OA TL082 tạo chuỗi xung tần số cao $f = 10\text{ kHz}$. Tín hiệu so sánh và chuỗi xung tần số cao được hòa trộn qua cổng logic AND để tạo xung chùm, giúp duy trì kích mở Thyristor tin cậy trong điều kiện tải cảm.
  5. Khâu tách xung và khuếch đại xung: Dùng mạch logic và diode 1N4001 để tách xung điều khiển theo từng nửa chu kỳ dương/âm của từng pha. Tầng khuếch đại dòng điện dùng transistor BD135 kết hợp transistor đệm BC107.
  6. Biến áp xung và khối nguồn: Biến áp xung cách ly dùng lõi ferit chữ E mã hiệu 813E187 với tỷ số biến áp $k = 3$. Khối nguồn hạ áp ba pha cấp điện áp một chiều ổn định $\pm 15\text{V}$ và $+5\text{V}$ cho toàn bộ các IC thuật toán và cổng logic.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Chương này tập trung hệ thống hóa lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha và nguyên lý các bộ biến đổi điện áp xoay chiều:

  • Cấu tạo và cơ chế sinh lực của động cơ không đồng bộ: Trình bày chi tiết cấu tạo Stator (vỏ gang/thép, lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày $0{,}5\text{ mm}$, dây quấn đồng) và Rotor (kiểu dây quấn có vành trượt hoặc kiểu lồng sóc đúc nguyên khối). Phân tích sự hình thành từ trường quay ba pha lệch pha không gian $120^\circ$ và phương trình trượt tốc độ.
  • Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: Phân tích ba phương pháp điều chỉnh:
    1. Điều chỉnh điện áp cấp vào Stator: Thích hợp với phụ tải có mômen tăng theo tốc độ (bơm ly tâm, quạt gió); làm rõ sự phụ thuộc của tổn thất Rotor $\Delta P_r$ vào tốc độ.
    2. Thay đổi điện trở mạch Rotor: Dùng van bán dẫn đóng cắt xung song song với điện trở phụ $R_0$ để điều chỉnh trơn điện trở tương đương $R_{tđ}$.
    3. Điều chỉnh tần số nguồn cấp: Phân tích quan hệ giữa tần số $f_1$, điện áp $U_1$ và từ thông $\Phi$, xác định quy luật điều chỉnh giữ hệ số quá tải mômen $\lambda = \frac{M_{th}}{M_c} = \text{const}$.
  • Tổng quan bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha: So sánh các sơ đồ ĐAXC 3 pha dùng Triac, dùng 6 Thyristor song song ngược và các sơ đồ van nối trung tính. Trình bày bảng thông số tính toán mạch lực:
Sơ đồ ĐAXC $I_{tbvan} / I_t$ $U_{vanmax} / U_{phamax}$ $\alpha_{max}$ (độ điện)
3 Triac tải sao $0$ $1{,}5$ $150^\circ$
6 Thyristor song song ngược $0{,}45$ $1{,}5$ $150^\circ$
Van đấu tam giác tải sao $0{,}45$ $1{,}73$ $210^\circ$
Van ở dây trung tính $0{,}26$ $1{,}73$ $180^\circ$
  • Phân tích nguyên lý điều khiển: So sánh phương pháp điều khiển pha ngang (dịch pha điện áp hình sin) và điều khiển pha dọc (so sánh điện áp răng cưa với $U_{đk}$), khẳng định ưu điểm ổn định và ít phụ thuộc nhiễu nguồn của nguyên tắc điều khiển dọc.

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Chương này thực hiện các bước tính toán giải tích mạch động lực và mô phỏng trên phần mềm PSIM:

  • Tính chọn van bán dẫn: Dựa trên thông số tải động cơ ($P = 2{,}2\text{ kW}, U = 380\text{ VAC}, I = 5{,}09\text{ A}$), tác giả áp dụng hệ số dự trữ dòng $k_i = 1{,}6$ và điều kiện làm mát tự nhiên ($25% I_{đm}$), tra bảng lựa chọn dòng van công nghiệp cỡ lớn T86N chịu được điện áp ngược đến $1800\text{V}$.
  • Thiết kế mạch bảo vệ linh kiện:
    • Tính chọn cuộn cảm bảo vệ quá dòng $L = 3\text{H}$ để hạn chế tốc độ tăng dòng $di/dt \le 150\text{ A/}\mu\text{s}$.
    • Tính chọn mạch dập RC mắc song song van với $R = 12,\Omega$ (công suất $3\text{W}-5\text{W}$ dựa trên tính toán công suất phát nhiệt $P_R < 2{,}407\text{W}$) và tụ $C = 0{,}25,\mu\text{F}$ để giới hạn $du/dt \le 200\text{ V/}\mu\text{s}$.
    • Thiết kế bảo vệ ngắn mạch bằng Aptomat và mạch lọc sét, lọc xung điện áp từ lưới ($R_1C_1, R_2C_2$).
  • Mô phỏng mạch lực bằng PSIM: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch lực 6 Thyristor trên giao diện PSIM Schematic. Trích xuất đồ thị điện áp và dòng điện trên ba pha tải với các góc kích mở $\alpha = 30^\circ$ và $\alpha = 60^\circ$, kiểm chứng sự biến thiên và dạng sóng gián đoạn của điện áp ra khi thay đổi góc $\alpha$.

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Chương này đi sâu vào tính toán chi tiết từng khối chức năng của mạch điều khiển phát xung:

  • Yêu cầu kỹ thuật mạch điều khiển: Góc điều khiển giữa các van không lệch quá $1^\circ - 3^\circ$ điện, thời gian tác động dưới $1\text{ ms}$, dải điều khiển từ $\alpha_{min}$ đến $\alpha_{max}$, khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
  • Tính toán chi tiết các tầng linh kiện:
    • Khâu đồng bộ: Sử dụng cầu diode 1N4002 kết hợp phân áp $R_4 = 10\text{ k}\Omega$ và biến trở $P_1 = 10\text{ k}\Omega$ (chỉnh tại $5\text{ k}\Omega$) cùng OA TL082.
    • Khâu răng cưa: Tính chọn tụ nạp $C$ và transistor BC107 tương ứng thời gian quét góc $150^\circ$ trên nửa chu kỳ nguồn $50\text{ Hz}$.
    • Khâu tạo dao động: Mạch dao động đa hài dùng OA TL082 với tổng trở phân áp $20\text{ k}\Omega$, xác lập chu kỳ tạo xung tần số $10\text{ kHz}$.
    • Khâu tạo xung chùm & tách xung: Phối hợp cổng logic AND và diode 1N4001, điện trở hạn dòng đầu vào OA và bảo vệ quá áp bằng diode $D_{30}, D_{31}$.
    • Khâu khuếch đại và biến áp xung: Sử dụng transistor BD135, transistor BC107, van phụ BT151 và biến áp xung lõi ferit chữ E mã hiệu 813E187, bổ sung nhánh tiêu tán năng lượng $D_{10} - R_{16}$ chống bão hòa từ lõi ferit.
    • Khối nguồn cấp: Thiết kế biến áp ba pha 3 cuộn dây ($W_1, W_2, W_3$) cấp nguồn đồng pha và nguồn DC $\pm 15\text{V}$, $+5\text{V}$.
  • Mô phỏng tích hợp mạch điều khiển: Kết nối hoàn chỉnh sơ đồ mạch điều khiển trên PSIM, kiểm chứng sự đồng bộ giữa xung kích mở phát ra và điện áp xoay chiều của lưới điện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý: Hoàn thành sơ đồ mạch động lực 6 Thyristor song song ngược và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tương tự 6 kênh đồng bộ theo nguyên tắc điều khiển dọc.
  • Xác lập bảng thông số linh kiện chi tiết: Toàn bộ các phần tử bán dẫn (Thyristor T86N, Diode 1N4002/1N4001, Transistor BD135/BC107, Thyristor phụ BT151, IC TL082) và phần tử thụ động ($R, C, L$, biến áp xung 813E187) đều được tính toán theo điều kiện làm việc thực tế và hệ số dự trữ an toàn.
  • Kiểm chứng dạng sóng qua mô phỏng: Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM xác nhận mạch điều khiển tạo được xung chùm tần số $10\text{ kHz}$, phân phối chính xác tín hiệu kích mở lệch pha $120^\circ$ và $180^\circ$ giữa các van; dạng sóng điện áp ra tải thuần trở và tải RL thay đổi đúng quy luật giải tích tại các góc mở $\alpha = 30^\circ$ và $\alpha = 60^\circ$.

Đóng góp kỹ thuật

Tác giả đã hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế truyền thống cho bộ điều áp xoay chiều ba pha công suất vừa ($2{,}2\text{ kW}$), kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết và mô phỏng số trên PSIM. Quy trình tính toán từ khâu mạch lực, mạch dập xung bảo vệ van đến việc giải quyết hiện tượng bão hòa từ trên lõi biến áp xung cung cấp một tài liệu thiết kế có tính ứng dụng cụ thể trong môn học Điện tử công suất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm PSIM, chưa tiến hành thi công mạch in (PCB) và lắp ráp mô hình thực nghiệm phần cứng để đánh giá các yếu tố phát nhiệt thực tế, sụt áp dây dẫn và sai số linh kiện rời.
    • Bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển điện áp Stator có nhược điểm cố hữu là làm giảm hệ số công suất $\cos\varphi$ của lưới điện khi tăng góc mở $\alpha$, đồng thời sinh ra các sóng hài bậc cao gây méo dạng dòng điện và tăng tổn thất nhiệt trên Rotor ở vùng tốc độ thấp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp (theo phạm vi đề tài):
    • Chuyển đổi mạch điều khiển tương tự (dùng nhiều linh kiện rời OA, transistor) sang cấu trúc điều khiển số sử dụng vi điều khiển, DSP hoặc vi xử lý chuyên dụng để tăng độ chính xác, giảm kích thước mạch và cho phép lập trình mềm dẻo các thuật toán khởi động mềm.
    • Chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng để kiểm nghiệm đặc tính cơ thực tế của hệ truyền động động cơ $2{,}2\text{ kW}$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên ngành Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật điện, Điện tử công suất: Làm tài liệu tham khảo cho Đồ án môn học Điện tử công suất, Đồ án Truyền động điện hoặc Đồ án tốt nghiệp trình độ đại học.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống khởi động mềm và điều tốc động cơ: Tham khảo phương pháp tính chọn van Thyristor, thông số mạch dập xung $RC$, cuộn kháng $di/dt$, và cấu trúc mạch tạo xung chùm cách ly biến áp xung cho các tải công nghiệp công suất nhỏ và vừa.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn cấu hình mạch lực nào và sử dụng loại van bán dẫn nào?

Đề tài lựa chọn sơ đồ mạch lực gồm 6 Thyristor mắc từng đôi song song ngược trên 3 pha nguồn không có dây trung tính. Loại van được chọn là Thyristor T86N (xuất xứ Tây Âu) có dòng điện trung bình định mức $I_{tb} = 86\text{A}$, dải điện áp làm việc $1200\text{V} - 1800\text{V}$, tốc độ tăng dòng $di/dt = 150\text{ A/}\mu\text{s}$ và tốc độ tăng áp $du/dt = 1000\text{ V/}\mu\text{s}$.

2. Mạch điều khiển hoạt động theo nguyên tắc nào và sử dụng các linh kiện chính nào?

Mạch điều khiển hoạt động theo nguyên tắc điều khiển dọc (so sánh điện áp tựa răng cưa với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$). Các linh kiện chính bao gồm: bộ khuếch đại thuật toán kép OA TL082 (dùng cho khâu so sánh đồng bộ, khâu tạo răng cưa, khâu so sánh và tạo dao động đa hài $10\text{ kHz}$), transistor n-p-n BC107, transistor công suất BD135, diode chỉnh lưu 1N4002, diode tách xung 1N4001, Thyristor phụ BT151 và biến áp xung lõi ferit chữ E mã hiệu 813E187 với tỷ số biến áp $k = 3$.

3. Các phần tử bảo vệ van Thyristor trong mạch lực được tính toán ra sao?

  • Bảo vệ quá dòng ($di/dt$): Dùng cuộn cảm $L = 3\text{H}$ mắc nối tiếp.
  • Bảo vệ quá áp ($du/dt$ và xung điện áp đóng cắt): Dùng mạch dập $RC$ mắc song song từng van với tụ điện $C = 0{,}25,\mu\text{F}$ và điện trở $R = 12,\Omega$ (công suất chịu nhiệt chọn loại $3\text{W}-5\text{W}$ trên cơ sở công suất tổn hao tính toán $P_R < 2{,}407\text{W}$).
  • Bảo vệ ngắn mạch: Dùng Aptomat chuyên dụng có dòng định mức $I_{AT} = (1{,}1 - 1{,}3) I_{đm(tải)}$.

4. Động cơ xoay chiều ba pha được điều khiển có các thông số kỹ thuật định mức nào?

Đối tượng truyền động là động cơ không đồng bộ ba pha có công suất định mức $P = 2{,}2\text{ kW}$, điện áp dây định mức $U = 380\text{ VAC}$, dòng điện định mức $I = 5{,}09\text{ A}$, và tốc độ quay định mức $n = 1400\text{ vòng/phút}$.

5. Tác giả sử dụng công cụ nào để mô phỏng và kết quả đạt được là gì?

Tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất PSIM (bao gồm module Schematic, Simulator và View). Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng thành công dạng sóng điện áp và dòng điện ba pha trên tải với các góc điều khiển $\alpha = 30^\circ$ và $\alpha = 60^\circ$, đồng thời xác nhận tính đồng bộ của chuỗi xung chùm phát ra từ mạch điều khiển.

Kết luận

Đồ án của sinh viên Nguyễn Duy Long đã thực hiện đầy đủ quy trình tính toán, thiết kế giải tích hệ thống điều áp xoay chiều ba pha 6 Thyristor điều khiển động cơ không đồng bộ $2{,}2\text{ kW}$. Mạch điều khiển tương tự được xây dựng chặt chẽ theo nguyên tắc điều khiển dọc với đầy đủ các khâu tạo xung chùm, tách xung và cách ly biến áp xung ferit. Toàn bộ thiết kế mạch lực và mạch điều khiển đã được kiểm chứng tính đúng đắn thông qua mô phỏng dạng sóng trên phần mềm chuyên ngành PSIM.