thiết kế bộ điều khiển băm xung áp một chiều điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chơng I
Khái quát công nghệ
1. Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông.
Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng nh
ở đầu máy kéo là đợc sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống,
thì động cơ KĐB là loại động cơ đợc sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận
hành bảo dỡng 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 không thể đáp ứng đợc
hoặc nếu thực hiện đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt
tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế đợc trong
những lĩnh vực nói trên.
ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản xuất nh
hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao
thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng u 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.
Ngoài 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 lợng điều chỉnh cao
hơn trong dải điều chỉnh rộng.
Thực tế là ở các nớc 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 tơng lai. Một
mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đ ợc
nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dong áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác,
là động cơ điện không gây ô nhiễm môi trờng nh các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu
suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đa đến việc đa động cơ điện vào giao
thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nớc phát triển nh Mỹ, Đức, Pháp, TQ . đa
số hệ thống đờng sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều đợc cung cấp bằng điện áp một
chiều qua đờng dây trên không hoặc đờng ray thứ ba.
Đối với hệ thống đờng sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ
giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đờng dây một chiều là thích hợp. Nhng đối với
trờng hợp khoảng cách xa hơn, nh giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một

chiều là không kinh tế. Trong trờng hợp này ngời ta lấy t lới điện xoay chiều một pha có tần số
50Hz ữ 60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lu đợc nguồn một
chiều. Thông thờng cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đờng sắt trong thành phố dùng điện một
chiều từ 600 ữ 700V (với TH đờng ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đờng dây trên không).
Trong cả hai trờng hợp trên thì ngời ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lu từ lới điện xoay
chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lợng cao.
Đối với ôtô điện ngời ta cũng lấy từ đờng dây trên không nếu công suất động cơ truyền
tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì ngời ta
dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải.
Nhng nhợc điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy đợc quãng đờng ngắn, điều này
gây bất tiện cho ngới sử dụng. Vì vậy loại này chỉ khả dụng trong trờng hợp công 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 trớc
hết ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnh vực giao thông.
2. Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông.
Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong lĩnh vực giao thông là:
+ Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnh
rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh phải êm, khởi động động cơ nhanh.
+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định
Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành.
Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đa ra đợc một sơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao
tác trong vận hành điều khiển động cơ ô - tô. Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi
truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ.
Thực chất của việc điều khiển ô-tô cũng nh đầu máy kéo là việc điều khiển động cơ kéo
tải. Vì vậy, trớc tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một


0

M
M
đm
chiều, rồi từ đó đa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực
đang đề cập tới.
3. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.
a. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song.
Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)
M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2

+


=

Với những điều kiện U=const, I
t
=const thì từ thông của động cơ hầu nh không đổi. Vì
vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng.
Do R rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ
không đến định mức thì tốc độ giảm

rất ít cho nên đặc tính cơ của động
cơ điện kích thích song song rất
cứng. Với đặc điểm nh vậy, động cơ
điện kích thích song song đợc dùng
trong những trờng hợp tốc độ hầu
nh không đổi khi tải thay đổi.
b. Động cơ điện kích thích nối tiếp.
ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần
ứng : I
t
= I=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:
=K

.I
trong đó hệ số tỷ lệ K

chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I
đm
; còn khi I >(0,8 ữ
0,9)I
đm
thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoà mạch từ.
Nh vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:
M=C
M
..I=C
M
.

K
2

*
M
*
M
đm



=
KC
R
MKCe
UC
n
e
u
M
.

.
nếu bỏ qua R thì:
M
U
n =
hay: M=
2
2

n
U
Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
thích nối tiếp có dạng là đờng hypebol bậc hai.
Ta thấy, ở động cơ một chiều kích
thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất
nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0,
I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thờng
chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối
thiều P
2
=(0,2 ữ 0,25)P
đm
. Từ dạng đặc
tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ
của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm
động cơ nối tiếp rất u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay
đổi trong một vùng rộng.
c. Động cơ điện kích thích hỗn hợp
Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây
quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngợc nhau. Trên thực tế ngời ta chỉ
sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm
việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian
giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc
tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ
kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh nh ở động cơ
kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng
hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp đợc điều chỉnh
nh ở trờng hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng

những phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp.
Từ những tính chất của từng loại động cơ nh đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải
và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích
thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đợc những yêu cầu về truyền động. Ta
có thể nêu u điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song
đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:
+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao
thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.
+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép
làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề.
+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nên khả năng chịu tải của
động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên rất thích hợp cho những truyền động
dùng trong nghành giao thông có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải.
Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng. Tuy nhiên ngời ta
cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà
vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động.
4. Các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng ph-
ơng pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều
chỉnh bằng phơng pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ
cấu cơ khí bấy nhiêu.
Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông .
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi có thể thay đổi đợc liên tục & giữ đ-
ợc hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích
thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhng do bình thờng động cơ làm việc ở chế
độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=
đm
=

max
), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hớng
giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phơng pháp này không thích hợp trong
trờng hợp động cơ kéo tải giao thông.
Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay d-
ới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên U
đm
của động cơ. Phơng pháp này
cho phép điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:
+ Hiệu suất điều chỉnh cao.
+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U mômen ngắn mạch M
nm
giảm,
dòng ngắn mạch I
nm
giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.
+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là nh nhau.
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh.
Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện
áp điều chỉnh đợc.
Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là
thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông. Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ
định mức nh ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí nh đã đề cập ở
trên.
5. Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều
Nh ở trên đã đề cập, phơng pháp điều chỉnh điện áp đợc lựa chọn trong điều chỉnh tốc độ
động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ô-tô ngời ta có thể thay đổi góc mở
chậm nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lu, hoặc thay đổi tần số băm trong trờng hợp

bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều.
Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trờng hợp tải của nó
là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lu tiristor động cơ một chiều luôn đi kèm
theo việc đa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo
tải lớn.
Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì
thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với
nhiệt độ và điều kiện môi trờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích
thớc nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với ôtô điện.
Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lợc về các
yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọn thiết bị
đáp ứng đợc các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1
cách chu kì .Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp
một chiều U
tb
có trị số có thể điều chỉnh đợc. Điện áp U
tb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm
thay đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U
tb
<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<U
tb
<0.
Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không
đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn
chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm

việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập
mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc
kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa
chọn đợc bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz). Thực tế thờng dùng tần số băm
khoảng 400Hz ữ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc
Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi
dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới
500Hz).
Tải
Chỉnh lu
không
điều khiển
L
2






K
D
C
1
C
2
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít
hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhng
Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trờng
làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế.
Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khả
năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng .
Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh
kiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở.
Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số
đóng cắt nhất định, nâng cao đợc chất lợng điều chỉnh.
Chơng II
Bộ băm xung áp một chiều
Nh đã giới thiệu ở chơng trớc, bộ băm xung áp một chiều có nhiều u điểm trong truyền
động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp
nguồn U
S
một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến
điện áp một chiều, ở chơng này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các ph-
ơng pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế.
I. Nguyên lý
Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau.
U
ra
là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t
1
và độ nghỉ t
2
. Điện áp ra bằng giá trị
trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần

tử công suất bằng phơng pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công
suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ.
II. Ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra
Có hai phơng pháp:
Thay đổi độ rộng xung (t
1
).
BBĐ
một
chiều
U
S
U
ra
U
ra
t
t
1
t
2
T
Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
1. Phơng pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T Giá trị trung bình của
điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
S
S

tai
U
T
Ut
U .
.
1

==
trong đó đặt:
T
t
1
=

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < 1).
2. Phơng pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t
1
=const. Khi đó:
SStai
UftU
T
t
U
1
1

==
Vậy U
ra
=U
S
khi
1
1
t
f =
và U
ra=0
khi f=0.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên. Thực tế phơng pháp biến đổi độ rộng xung
đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.
III. Các dạng cơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau:
1. Biến đổi hạ áp:
Sơ đồ nguyên lý nh sau:
L1
D1
U
S
U
ra
C
lọc
Tải
Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm

kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngợc với U
ra
để thoát dòng tải khi khoá K
ngắt.
+ K đóng U
S
đợc đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tởng thì U
tải
= U
S
(nếu bỏ qua sụt áp trên
các van trong bộ biến đổi).
+ K mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng I
tải
do năng lợng tích luỹ trong
cuộn L và L
tải
, dòng chạy qua D, do đó U
ra
=U
tải
=0.
Nh vậy, U
tải tb
U
S
. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:

==

S
tai
I
U
U
WƯ
2. Biến đổi tăng áp:
Sơ đồ nh sau:
Đặc điểm: L
1
nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L
1
không tham
gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ K đóng, dòng điện từ +U
S
qua L
1
K -U
S
. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C
(đã đợc
tích điện trớc đó).
+ K ngắt, dòng điện chạy từ +U
S
qua L
1
D Tải. Vì từ thông trong L
1

không giảm
tức thời về không do đó trong L
1
xuất hiện suất điện động tự cảm e
L
dt
d
w

=
, có cùng cực
L1
D1
U
S
U
ra
C
lọc
Tải
K
tính U
S
. Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
làm D thông U
tải
=U

S
+e
L
. Vậy ta có bộ biến đổi
tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U
S
ở chế độ liên tục và năng lợng
truyền ra tải dới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:


==
1
1
S
tai
I
U
U
W
3. Biến đổi đảo cực:
Sơ đồ mắc nh sau:
L
1
chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lợng.
C đóng vai trò lọc.
+ K đóng, trên L
1
có U

S
, dòng chạy từ +U
S
K L
1
-U
S
. Năng lợng tích luỹ trong
cuộn cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
tải
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ K ngắt, cuộn cảm L
1
sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp đóng D thông
năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; U
tải
sẽ ngợc chiều với U
S
.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U
S
. Giá trị tuyệt đối |U
tải
| có thể lớn hơn hay nhỏ
hơn U
S

.
4. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:
Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn U
S
.
Để giảm độ gợn sóng của I
tải
và U
tải
, các khoá K
1
, K
2
, K
3
, làm việc lệch pha nhau một
góc 2/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện I
tải
/n ; tần số làm việc f=f

/n.
Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời.
L1
D1
U
S
U
ra
C
lọc

Tải
K
Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận đợc điện áp ra tải
U
tải
cao hơn điện áp nguồn cung cấp U
S
, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên
ít thông dụng.
IV. Một số sơ đồ băm xung áp
Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ
mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của các dạng cơ
bản nh đã giới thiệu ở mục trên.
Dới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:
Một loại cho phép tái sinh năng lợng và cho dòng tải liên tục.
Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện đợc hãm tái sinh năng lợng và có
thể áp dụng đợc nhiều chế độ điều khiển khác nhau.
1. Sơ đồ băm xung áp mạch đơn (loại A).
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này nh sau:
Giải thích:
+ S1,S2 là loại điều khiển hoàn toàn.
+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong
đó E là sức phản điện động của động cơ.
+ D1là Diod hoàn năng lợng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lợng tái sinh cho nguồn.
L1

R
E
D
2
D
1
S
1
S
2
i
d
u
d
U
S
C


1.1. Hoạt động của sơ đồ :
Để chiều dòng điện tải nh hình vẽ ta cho S1 hoạt động nh một khoá đóng cắt ;còn S
2
không làm việc .Khi S
1
mở dòng điện từ nguồn chảy qua S
1
qua tải và trở về âm nguồn .Khi
S
1
khoá dòng tảI đợc khép mạch qua điod D

1
đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S
1
khoá .
Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng i
d
) ta cho S
2
và D
2
vào vận hành còn
S
1
ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn
E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S
2
xuất hiện dòng
điện chạy ngợc lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:P
đt
= I
d
.E > 0.
Công suất lúc này đợc tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S
2
ngắt, trên điện cảm L sinh ra
sức điện động tự cảm (U
L
) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp
nguồn U
S

làm D
2
dẫn ngợc dòng về nguồn và trả lại phần năng lợng đã tích luỹ trong cuộn
cảm L.
Để đảm bảo S
2
dẫn dòng điện ngợc ngay khi dòng thuận qua D
1
tắt ta phát xung vào
mở S
2
đồng thời với việc phát xung khoá S
1
.
Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ:
i
®k1
i
®k2
u
d
i
d
U
S
i
D1
i
D2
i

S
U
d
I
d
Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét :
+ Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S
2
dẫn trớc hoặc sau khi
dòng qua D
1
tắt.
+ Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể
nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển đợc bằng cách thay đổi
thời gian dẫn của S
1
và S
2
.
Nhận xét:
Ưu đIểm của sơ đồ này là:
+ Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm.
+ Có thể thực hiện đợc quá trình tái sinh năng lợng.
1.2. Các biểu thức có liên quan:
Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó:
E: Sức phản điện động của động cơ
R: Điện trở dây quấn của động cơ
L: Điện cảm dây quấn của động cơ
a. Xác định I
max

và I
min
:
Khi H đóng mạch (tơng đơng với việc mở S
1
) ta có :
Sd
d
UERi
dt
di
L =++

R
EU
ai
dt
di
S
d
d
)(
=+
; với
L
R
a =
Sử dụng phơng pháp biến đổi Laplace ta đợc
p
a

R
EU
paIIppI
ú
ddd
)(
)()0()(

=+
Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì I
d
=0. Nhng sau một vàI chu kỳ, dòng I
d
sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị I
max
và I
min
( Do D
1
& D
2
dẫn khi S
1
khoá).
Do đó I
d
(0)=I
min
. Thay vào phơng trình trên ta đợc:
min

)(
)()( I
p
a
R
EU
paIppI
ú
dd
+

=+
min
)(
)()( I
p
a
R
EU
pIap
ú
d
+

=+
)()(
)(
)(
min
ap

I
p
a
apR
EU
pI
ú
d
+
+
+

=
Tra bảng gốc ảnh ta tìm đợc:
atat
ú
d
eIe
R
EU
ti

+

= .)1.()(
min
Khi mạch hở ( tơng đơng với việc khoá S
1
mở S
2

).
Ta có phơng trình trong giai đoạn D
1
dẫn :
0=++ ERi
dt
di
L
d
d
(Vì tần số đóng cắt cao nên coi nh E không đổi trong suốt quá trình hoạt động của bộ
băm xung )
Tơng tự nh vậy ta tìm đợc nghiệm
)(
max
)(
]1.[)(
TtaTta
eIe
R
E
ti


+=
Vận dụng các sơ kiện :
t=T I
d
=I
max

t=T I
min
=I
d
R
E
A
B
R
U
I
ú



=

1
1
1
max
1
1
.
R
E
A
ABA
R
U

I
ú



=
1
111
min
1
.
Trong đó:
TaaT
eBaA

==

11
;
b. Xác định điện áp trung bình trên tải :
Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có:

==
T
úúd
UdtU
T
U

0
1
c. Giá trị trung bình của dòng tải :
Từ phơng trình của mạch tải ta có:
dd
d
UERi
dt
di
L =++

=++
T
d
TT
d
T
d
dtU
T
Edt
T
dtRi
Tdt
di
L
T
0000
1111
úd

UERI

=++ 0
R
EU
I
ú
d

=

d. Độ nhấp nhô của dòng điện tải :
Ta có:
L
TU
A
BAB
R
UII
I
úa
d
2
)1(
1
)1)(1(
.
2
1
11

1
1
minmax





=

=

(Khi lấy giá trị xấp xỉ nh trên ta coi R=0)
Từ biểu thức vừa tính đợc ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô I
d
là hàm của tỷ
số chu kỳ .Từ đó ta có ;

L
TU
L
UT
d
Id
úú
I
22
.).1(

=

Cho
5,00
max
==



d
Id
I
Do đó I
dmax
=
L
TU
ú
8
Vậy muốn cho dòng điện tải ít nhấp nhô,cần tăng tần số băm f hoặc tăng điện cảm
L(bằng cách nối thêm 1 điện cảm nối tiếp với phần ứng động cơ).
e. Giá trị trung bình dòng qua van
Ta có ;
+===

T T
úTT
EU

R
dtti
T
dtti
T
I
0 0
1
)[(
1
)(
1
)(
1


)1(
)1).(1.(
.
1
11
1
1
AT
BABU
R
L
S

dT
II


f. Giá trị trung bình qua diod :
)1.()1.(
.
)1(
1
)1).(1(
.
.
.
1
11
1
1



=




=

d
SS

D
I
R
EU
R
E
A
BAB
TR
L
R
U
I
2. Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B).
Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ:
S1,S2,S3,S4:Là các van điều khiển hoàn toàn
Truyền động trong giao thông cũng đòi hỏi phải đổi chiều quay. Sơ đồ trên cho phép
điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt ,đặc tính làm việc của động cơ có
thể ở cả 4 góc phần t.
Sơ đồ có thể có nhiều chế độ điều khiển,dới đây ta sẽ giới thiệu hai chế độ điều khiển
thờng gặp.
2.1. Điều khiển đối xứng :
1. Hoạt động:

L1

R E
i
d

D
1
D
4
S
1
S
4
u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2
S
3

Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S
1
ữS
4

đều hoạt động. Giả thiết S
2
và S
4
đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B A).
- Tại thời điểm t=0 đa xung mở S1 và S3. Vì trớc thời đIểm phát xung một khoảnh khắc
thì i
S2
=I
S4
>>0 nên đến =0, muốn khoá S
2
& S
4
ta cần khoá cỡng bức bằng cách phát xung âm
vào cực điều khiển .Khi đã khoá S
2
& S
4
,dòng tải i
d
= I
min
không thể đảo chiều ngay lập tức do
tải điện cảm .Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũ theo mạch D
1
E D
3
tải D
1

và suy
giảm dần . Khi đó D1 & D3 dẫn dòng .
- Đến t=t1 : Khi dòng qua D
1
và D
3
suy giảm về 0 thì S
1
và S
3
sẽ dẫn nếu vẫn còn tiếp
tục duy trì xung điều khiển .Dòng tải đổi chiều và tăng trởng dần theo chiều từ A B.
- Đến t=t2 ta lại cho mở S
2
& S
4
đồng thời khoá S
1
và S
3
.Dòng tải lại tiếp tục duy trì
theo chiều cũ vì D
2
và D
4
đang dẫn, S
2
và S
4
sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầu bằng 0 và đổi chiều

Diễn biến hoạt động của sơ đồ đợc mô tả theo biểu đồ dạng sóng nh sau:
U
S
i
®k1
i
®k2
u
d
-U
S
2. Tính các biểu thức có liên quan:
a. Tìm biểu thức của dòng tải :
Khi (D
1
, D
3
) & (S
1
, S
3
) dẫn :
Trong giai đoạn này điện áp trên tảI là U
T
=U
S
,do đó phơng trình mạch tảI sẽ là:
Sd
d
UERi

dt
di
L =++
Giải tơng tự nh ở sơ đồ 1 ( băm loại A) ta có:
atat
S
d
eIe
R
EU
ti

+

= .)1.()(
min
Khi (D
2
, D
4
) và ( S
2
, S
4
) dẫn thì : U
d
= - U
S
,do đó phơng trình mạch tải sẽ là:
Sd

d
UERi
dt
di
L =++
Vậy
)(
max
)(
.)1.()(
TtaTta
S
d
eIe
R
EU
ti


+
+
=
Ta cũng tìm đợc:
R
E
A
ABA
R
U
R

E
e
ee
R
U
I
S
aT
aTTa
S



=


=


1
111
)1(
min
1
12
.
1
1.2
.

R
E
A
BA
R
U
I
S


+
=

1
1
11
max
1
21
.
at
SS
e
A
BA
R
U
R
EU
ti

+

=
1
11
1
1
1.
.2
)(
)(
)(
1
1
1
2
1
1
.2
)(
)(
Tta
SS
e
A
B
R

U
R
EU
ti





+
+
=
Với
T
t
2
=

(Tỷ số chu kỳ )
Từ biểu đồ dạng sóng của dòng /áp tải ta có:
b. Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
SS
SSSS
T
t
S
t
S
T
dd

UU
UUTTUTU
T
dtUdtU
T
dtu
T
U
)12()1(
)1()]([
1
])([
11
2
2
00
=+=
==
+==




Vậy nếu ta thay đổi đợc ta sẽ điều chỉnh đợc U
d
.
Cụ thể :
=0,5 U
d
=0Động cơ đợc đặt điện áp

>0,5 U
d
>0Động cơ quay thuận
<0,5 U
d
<0Động cơ quay ngợc
c. Giá trị trung bình của dòng qua diod D
1
và D
3
:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1

+


==


R
EU
R
U
R
E
R
U
A
BAB
aTR
U
dtti
T
I
SS
SS
t
D
d. Giá trị trung bình dòng qua van :

)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2
.
1
11
1
1








=

R
U
R
EU
A
BAB

aTR
U
R
EU
I
SSSS
T
e. Giá trị trung bình dòng tải :
)12.(
S
S
d
U
E
R
U
I =

f. Độ đập mạch dòng tải:
)1.(
.).1.(
.
1
)1).(1(
.
1
)1(
.
2
.2

2
1
11
1
1
1
11
1
11
minmax


=




=

+
=

=

T
L
U
L
TR
R

U
A
BAB
R
U
A
BABA
R
UII
I
SS
SS
Vậy :
)1.(

= T
L
U
I
S
2.2. Điều khiển không đối xứng :
Trong chế độ điều khiển không đối xứng ta cho bộ biến đổi làm việc nh sau :
+ Muốn động cơ quay thuận :Cho S
1
, S
4
đóng mở luân phiên 1 cách chu kỳ ; còn S3
luôn dẫn dòng tải ; S
2
cho nghỉ làm việc . Khi đó ta có mạch tơng tơng nh sau :

Mạch trên giống nh mạch đã phân tích ở sơ đồ 1 . Hoạt động giống nh đã phân tích ở
sơ đồ 1 .Theo trên điện áp trung bình trên tải là: U
d
=U
S
, do 0<<1 nên động cơ quay theo
chiều thuận .
+ Khi muốn đảo chiều quay ,cho động cơ quay theo chiều ngợc lạI .Ta cho S
1
nghỉ làm
việc hoàn toàn ;đồng thời cho S
2
và S
3
đóng mở luân phiên nhau ;còn S4 cho dẫn hoàn toàn Khi
đó ta có sơ đồ lúc làm việc nh sau :
Trong trờng hợp này ,giá trị trung bình điện áp đặt lên tải là U
d
=-U
S
<0 Động cơ
quay ngợc.
Nhận xét:

L1

R E
i
d

D
1
D
4
S
1
S
4
u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2
S
3

L1

R E
i
d


D
1
D
4
S
1
S
4
u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2

S
3





So với phơng pháp điều khiển đối xứng thì phơng pháp điều khiển không đối xứng có
những u điểm sau:
+ Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định.
+ Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện 2 lần so với phơng pháp điều khiển đối xứng
+ Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau:
U
S
> E Động cơ nhận năng lợng .
U
S
< E Động cơ phát năng lợng.
-U
S
< 0 Động cơ bị đảo chiều quay.
Nhng phơng pháp này có nhợc điểm là mạch điều khiển phức tạp hơn. Trong quá trình
quay theo một chiều xác định nào đó 1 van luôn ở trạng thái dẫn bão hoà Gây ra tổn hao
dẫn lớn (nếu là Transistor) .