D13TDH3 đa ĐTCS NHOM 3 BAN FULL

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
----------

BÁO CÁO MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Thiết kế mạch băm xung áp một chiều cho động cơ ô tô có các
thông số sau:P=1200W,Un=200V,n=1600v/ph.Yêu cầu sử dụng
van MOSFET có tần số xung 2KHz

Hà Nội, 05/2021


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuật
trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện - điện tử thì các thiết bị điện tử
có cơng 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 điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc
biệt với chủ trương cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa 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 địi hỏi phải có thiết bị và phương pháp an tồn chính xác. Đó là nhiệm vụ
của điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để hiểu rõ được vai trò của thiết bi băm xung áp xoay chiều, qua đồ án môn
học này, em được phân công làm đề tài dưới sự hướng dẫn của cô Phạm Thị Thùy
Linh với nội dung chính:
Thiết kế mạch băm xung áp một chiều cho động cơ ô tô
Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới cô Phạm Thị Thùy Linh đã tận tình chỉ
dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ án môn học này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ


DANH MỤC BẢNG BIỂU


CHƯƠNG 1. KIẾN THỨC TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về động cơ ô tô
Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất
cũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác
nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ tính
kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp, …
Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh
tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB khơng thể đáp ứng được hoặc
nếu thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ...) rất
đắt tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế
được trong những lĩnh vực nói trên.
Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản
xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở
lĩnh vực giao thơng. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là:
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt
+ Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn
hợp.
Ngồi hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động
cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất

lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng.
Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại
động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới
trong tương lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ
bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới
hạn dòng áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môi
trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao. Đây là một trong
những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giao thông ngày càng
rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nước phát triển như Mỹ, Đức, Pháp, TQ … đa số hệ
thống đường sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều được cung cấp bằng điện áp một
chiều qua đường dây trên không hoặc đường ray thứ ba.

6


Đối với hệ thống đường sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn,
mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đường dây một chiều là thích
hợp. Nhưng đối với trường hợp khoảng cách xa hơn, như giữa các thành phố với nhau,
thì việc dụng hệ thống một chiều là không kinh tế. Trong trường hợp này người ta lấy
tư lưới điện xoay chiều một pha có tần số 50Hz/60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau
đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lưu được nguồn một chiều. Thông thường cấp điện áp
của hệ thống tầu kéo đường sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ 600  700V
(với TH đường ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đường dây trên không). Trong cả hai
trường hợp trên thì người ta tạo dịng một chiều bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện xoay
chiều với hệsố đập mạch là để có chất lượng cao.
Đối với ôtô điện người ta cũng lấy từ đường dây trên không nếu công suất động
cơ truyền tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thơng có cơng suất
nhỏ, thì người ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính
linh hoạt trong vận tải. Nhưng nhược điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ
chạy được quãng đường ngắn, điều này gây bất tiện cho ngưới sử dụng. Vì vậy loại

này chỉ khả dụng trong trường hợp cơng nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực
tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giao thông.
Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều trong
lĩnh vực này trước hết ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnhvực giao
thông.

1.1.1. Khái niệm
Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành
cơ năng.
Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi. Để tạo ra từ trường
không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng
điện một chiều.
Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:
+ Kích từ độc lập
+ Kích từ song song
7


+ Kích từ nối tiếp
+ Kích từ hỗn hợp
Cơng suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tượng
tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều. Cấp điện áp của
máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V. Không thể
tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V.
1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stator) và
phần quay (rotor). Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm
(kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). Khác với máy điện đồng bộ ở máy
điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rơto. Trên hình

1.1 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính.

Hình 1.1: Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều

1-Thép, 2-Cực từ chính với cuộn kích từ, 3-Cực từ phụ với cuộn dây, 4-Hộp ổ
bi, 5-Lõi thép, 6-Cuộn phần ứng, 7-Thiết bị chổi, 8-Cổ góp, 9-Trục, 10-Nắp hộp đấu
dây.
1.1.1.1. Stato
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thơng chính của máy. Stato
gồm các chi tiết sau:

8


Hình 1.2: Cấu tạo các cực của máy điện một chiều

1.1.1.2. Cực từ chính, b) Cực từ phụ
• Cực từ chính (Hình 1.2 a)
Trên hình 1.2 a biểu diễn một cực từ chính gồm: Lõi cực (2) được làm bằng các
lá thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực (4) có nhiệm vụ làm cho từ thơng dễ đi qua khe
khí. Cuộn dây kích từ (3) đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn
dây cách điện. Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được
tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt.
Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh
làm mát.
• Cực từ phụ (Hình 1.2 b)
Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính, thơng thường số cực phụ bằng ½ số cực
chính. Lõi thép cực phụ (2) thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi
thì lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép. Cuộn dây (3) đặt trên lõi thép
(2). Khe khí ở cực từ phụ lớn hơn khe khí ở cực từ chính.

• Gơng từ
Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn
thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
• Cơ cấu chổi than
Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi
than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố
định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều
chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
• Thân máy

9


Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ được gắn vào thân
máy. Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc khơng.
Máy có cơng suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy. Thân máy được gắn với chân
máy. Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông số sau đây:
+ Công suất định mức Pđm
+ Tốc độ định mức nđm
+ Điện áp định mức U đm
+ Dịng điện định mức I đm
+ Dịng kích từ định mức I ktđm
+ Hiệu suất động cơ η
1.1.1.3. Rôto
Rôto của máy điện một chiều là phần ứng. Ngày nay người ta dùng chủ yếu là
loại rơto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật. Ở những máy
cơng suất lớn người ta cịn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghép
lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát).
• Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ
cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên.
Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những
động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ thơng gió để khi ép lại thành lõi
sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì
lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là
khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi
sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơto. Dùng giá rơto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rơto.
• Cổ góp
Cuộn dây rơto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.
Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp. Phiến

10


góp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mịn
(hình 1.3).

Hình 1.3: Kích thư ớc ngang của cổ góp

Chú thích:
123456•

Phiến góp
Ép vỏ
Cách điện
Phiến cách điện
Ống cổ góp

Chổi
Thiết bị chổi

Để đưa dịng điện ra ngồi phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làm
bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mịn, bộ giữ
chổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lị so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ
khác.

11


Hình 1.4: Thiết bị chổi.

Chú thích:
a) Thanh giữ chổi
b) Thiết bị giữ chổi
1- Ốc vít
2- Dây dẫn
3- Cách điện
4- Giữ chổi
5- Chổi
7- Lò so
8- Đòn gánh
9- Dây dẫn điện ra
10-Ốc giữ chổi
• Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy
qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện
nhỏ có cơng suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa
và lớn thường dung dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh

của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nệm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nệm thường làm bằng tre, gỗ…

12


2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của
lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do
có phiếu góp chiều dịng điện dữ ngun làm cho chiều lực từ tác dụng không thay
đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E ư chiều của
suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện
động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có
phương trình:
U = Eư + Rư.Iư

(1.1)

3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần bố
trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thơng Ф , phần ứng là phần quay nối
với điện áp lưới qua vành góp và chổi than. Tác động giữa từ thơng Ф và dịng điện
phần ứng tạo nên momen quay động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt
qua từ thông tạo nên sức điện động .
Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập được trình bày trên hình 1.2

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Xây dựng phương trình đặc tính cơ điện một chiều kích từ độc lập

13


Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa khe hở khơng khí đồng đều, phản ứng
phần ứng được bù đủ, các thơng số động cơ khơng đổi. Ta có thể lập sơ đồ thay thế
máy điện một chiều kích từ độc lập trên hình 1.5.

Hình 1.6: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư=Eư+(Rư+Rf)Iư

(1.2)

Trong đó:
+ Uư: Điện áp phần ứng (V)
+ Eư: Sức điện động phần ứng (V)
+ Rư: Điện trở mạch phần ứng ( Ω )
+ Iư: Dòng điện của mạch phần ứng (A)
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
+
+
+
+

rư: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rb: Điện trở tiếp xúc cuộn bù

rct: Điện trở tiếp súc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

E=
Trong đó:

p.N
.Φ .ω = K .Φ .ω
2π a

(1.3)

+ p: Số đơi cực từ chính
+ N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
+ a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
+ Φ : Từ thơng kích từ dưới một cực từ
+ ω : Tốc độ góc (rad/s)

p.N
+ K = 2π a : Hệ số cấu tạo của động cơ

14


Từ (1.2) và (1.3) ta có:
(1.4)
U u Ru + R f
−
.I u

K .Φ
K .Φ
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mơ men

ω=

điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
(1.5)

Mdt= K .Φ .Iư

M dt
Với Iư= K .Φ : Thay giá trị Iư vào (1.4) ta có:

ω=

U u Ru + R f
−
.M dt
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.6)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ bằng
mô men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M

ω=

U u Ru + R f
−

.M
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.7)

Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thơng

Φ = const, thì các phương trình đặc

tính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng
được biểu diễn trên hình 1.2 là những đường thẳng.

Hình 1.7: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

ω=

Uu
= ω0
K .Φ

(1.8)

ω 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Cịn khi ω =0 ta có:
Iu =

U
= I nm

Ru + R f

(1.9)

15


M = K .Φ .I nm = M nm

(1.10)

Inm và Mnm được gọi là dịng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch. Ngồi ra
phương trình đặc tính (1.4) và (1.7) cũng có thể được viết dưới dạng:

Uu
R
−
.I u = ω o − ∆ ω
K .Φ K .Φ
U
R
ω= u −
.M = ω o − ∆ ω
K .Φ ( K .Φ ) 2

ω=

(1.11)
(1.12)

Trong đó:
R = Rư + Rf

ω0 =

Uu
K .Φ

∆ω =

R.I u
R.M
=
K .Φ ( K .Φ ) 2

∆ ω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ
thơng động cơ

Φ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ.

4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
Về điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các
loại động cơ khác, khơng những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà
cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt được chất lượng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Từ phương trình tốc độ:

=

(1.13)

suy ra để điều chỉnh có thể:
+ Điều chỉnh điện áp phần ứng
+ Điều chỉnh bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
+ Điều chỉnh từ thông
1

Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm

Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
• Nguyên lý điều khiển:

16


Trong phương pháp này người ta giữ U = , = và nối thêm điện trở phụ vào
mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ:

= =

(1.14)

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do
đó càng mềm hơn.

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Rf

Ứng với = 0 ta có độ cứng tự nhiên có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên
có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay
đổi ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.

Đặc điểm của phương pháp:
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ
định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có cơng suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường
dùng ở động cơ điện trong cần trục.
+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục
được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số
mơmen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = / càng nhỏ. Phương pháp
này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở
phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.

17


1.1.1.4. Điều chỉnh từ thơng
• Ngun lý điều khiển:
Giả thiết U = = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dịng điện
kích từ, thay đổi dịng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào
mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa
( = ) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể
điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ
định mức. Nên khi giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng = tăng, cịn độ cứng đặc tính
cơ = giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.

Hình 1.9: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông Φ

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thơng thì dịng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dịng điện
khơng vượt q giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm
theo cùng tỉ lệ.
• Đặc điểm của phương pháp:
+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định
mức, việc thay đổi từ thơng khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch.
+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều
khiển với công suất không đổi.
+ Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển
nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào
phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1.
18


Vì cơng suất của cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta có
thể điều khiển liên tục với 1.
+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với
dịng kích từ (1 ÷ 10)% của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi
cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
1.1.1.5. Điều chỉnh điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị
nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện
động điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển . Vì nguồn có cơng suất hữu hạn so với động
cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong và điện cảm khác không. Để đưa tốc

động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.

Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

- = (+)

(1.15)
(1.16)
(1.17)

Vì từ thơng của động cơ được giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển
của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ
thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn

19


bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mơmen khởi động. Khi mơmen tải là định mức thì
các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

=

(1.18)

=

(1.19)

Để thoả mãn khả năng q tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mơmen ngắn mạch là: = = .
Trong đó là hệ số quá tải về mơmen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song
song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:

=

=

1

D= =

(1.20)
(1.21)

Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Uư

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị , , là xác định, vì vậy phạm vi điều
chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần
ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp
khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:

. 10

(1.22)

Vì thế tải có đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ
cũng khơng vượt q 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ
chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không
thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động
một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng

20


có đặc tính cơ trong tồn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn
nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ
thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ khơng vượt q giá trị sai số cho phép,
thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ
dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

s

(1.23)

s

(1.24)

Vì các giá trị , , là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng
đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa
số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vịng kín.
Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một
chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách
thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì

nó thu được đặc tính cơ có độ cứng khơng đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không
bị tổn hao.

21


1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều
5 Cấu trúc và phân loại các bộ biến đổi xung áp một chiều
1.2.1.1. Khái quát

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý a) và đồ thị b) của bộ biến đổi xung áp

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khố K đóng lại, điện áp trên tải U R sẽ có giá trị
bằng điện áp nguồn
UR = E; còn trong khoảng t1 ÷ T khoá K mở ra và UR = 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
λ

1
λ
U R = ∫ Edt = E = Eγ
T0
T
Trong đó:

(1.25)

λ - Thời gian khố K đóng
γ - Hệ số điều chỉnh
T – Chu kỳ đóng cắt của khố K.

Như vậy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:
+ Thay đổi thời gian đóng khố K (λ = var), khi giữ chu kỳ đóng cắt khơng
đổi (T = const). Gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung.
1
f =
+ Thay đổi tần số đóng cắt (
T = var) và giữ thời gian đóng khố K
khơng đổi (λ=const).
Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên
phụ tải.
Ưu điểm:

22


• Hiệu suất cao vì tổn hao cơng suất trong bộ biến đổi không đáng kể so
với các bộ biến đổi liên tục.
• Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường,
vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khố K mà khơng phải giá trị điện
trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên
tục.
• Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục
• Kích thước gọn nhẹ.
Nhược điểm:
• Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng qn tính của bộ biến đổi khi làm
việc trong hệ thống kín.
• Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều
khiển.
1.2.1.2. Bộ biến đổi xung áp một chiều dùng tiristo

Hình 1.13: Mạch khóa Thyristor

Trên sơ đồ ở hình 3.2b, tiristo TC là tiristo chính (khố điện tử), tiristo phụ (T f)
cùng với các phần tử C, R, D, L làm thành mạch chuyển mạch để khố tiristo chính.
Đối với sơ đồ ở hình 3.2a, khi khóaT C người ta mở Tf. Như vậy trên TC sẽ có
điện áp ngược bằng giá trị điện áp trên tụ và nó làm cho dịng qua T C giảm về khơng
và khố lại.
Đối với sơ đồ ở hình 3.2b, khi mở Tf, tụ C được nạp điện với dấu dương ở phía
trên và âm ở phía dưới. Khi cho tiristo chính (T C) làm việc, tụ C sẽ phóng điện qua
mạch TC, D, L và do hiện tượng cộng hưởng nó sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại
(dấu điện áp trong ngoặc ở hình 3.2b). Dấu điện áp này phù hợp để tạo điện áp ngược

23


cho TC. Muốn khoá TC ta lại mở Tf và điện áp ngược của tụ C lúc này có tác dụng để
khoá TC lại.
1.2.1.3. Phân loại
Dựa vào cách mắc van: có xung áp song song hoặc nối tiếp
Dựa vào nguồn điện ra: xung áp giảm áp và xung áp tăng áp
Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo
chiều, hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều.

Hình 1.14: Bộ biến đổi xung áp nối tiếp

Hình 1.15: Bộ biến đổi xung áp song song

1.2.1.4. Sơ đồ cấu trúc
Nguồn một chiều có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu. Bộ lọc đầu vào thường

dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm. Tụ C có thể được thay thế bằng các phần tử
tích trữ năng lượng như ắc quy.

24


Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiển
hoàn toàn BJT, GTO, MOSFET, MOSFET.
Bộ lọc đầu ra (L0) có tác dụng san phẳng dịng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.

Hình 1.16: Sơ đồ cấu trúc

6 Bộ biến đổi xung áp một chiều khơng đảo chiều có điện áp ra thấp hơn
điện áp vào (Bộ biến đổi xung áp nối tiếp)
Khoá điện tử dùng GTO sẽ được đóng cắt với chu kỳ T theo luật điều khiển như
đồ thị ở hình 3.6b, c. Van T sẽ dẫn điện khi U G > 0 và van sẽ bị khoá lại khi U G < 0.
Trong khoảng từ 0 từ t1, khi T dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ
tải, UAB = E. Trong khoảng (t1 ÷ T), van khố, do năng lượng tích trữ trong điện cảm,
dịng điện vẫn theo chiều cũ và khép mạch qua van đệm D, lúc này UAB = UD ≈ 0.
Giá trị trung bình của điện áp tại hai điểm A, B sẽ là:
t

U AB

γ=

1 1
t
= ∫ Edt = E 1 = E.γ
T0

T

(1.26)

t1
T vơi γ là hệ số điều chỉnh điện áp.

Ta có hệ phương trình mơ tả hoạt động của sơ đồ:

Khi GTO đóng mạch:

Khi GTO hở mạch:

iR + L

iR + L

di
=E
dt

di
=0
dt

Để tìm dịng tải ta dùng phương pháp tốn tử Laplace: Nếu hàm số liên tục thì
ảnh Laplace của nó là:
25