đồ án điện tử công suất

ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Lời nói đầu
Tiến trình lịch sử nhân loại đã xã hội đã thể hiện rõ Khoa học_ Kĩ thuật là
động lực phát triển nền kinh tế và nâng cao chất lợng cuộc sống, nhu cầu ứng dụng
những thành tựu Khoa học công nghệ mới vào đời sống ngày càng nhiều. Đất nớc ta
muốn phát triển nền kinh tế trong lĩnh vực Công- Nông nghiệp, dịch vụ cao hơn
nữa, tiến tới hiện đại hoá công nghiệp hoá; thì không thể thiếu Tự động hoá trong
sản xuất, trong sinh hoạt. Điều đó khẳng định Nghành Tự động hoá- Tự động điều
khiển chiếm một vài trò không thể thiếu để phát triển kinh tế đất nớc; các linh kiện
điện tử, các thiết bị điện tử công suất phát triển để phục vụ nghành. Việc ứng
dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển tốc độ động cơ trong các xí
nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều và không thể thiếu. Điện tử công suất
góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa
cũng nh trong đời sống hàng ngày. Ngày nay,
!"#$
!%&'(")*+,-./011
2$3(245*&
!"#6789$$:!;<&
&<=<><41)89?8-
890không /3(,-./0@&5A=
!$$!8951(89$6
BC"D.E4*/04FGđể nâng cao vốn
kiến thức("@<&!$H:$9,-&
G2)6,-1AI*9!@)JK
8,,-&L=+MA23"N
*$K)&+AI=6O?@4+,-
1AI*,PQ!1@K8RSTBUVWSXY6
Chỳng em xin chõn thnh cm n!
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải

chơng I
Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về
chiều rộng lẫn chiều sâu ,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng,
không thể thiếu đợc trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt
của con ngời. Nó luôn đi trớc một bớc làm tiền đề vừa là mũi nhọn quyết định sự
thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào,
một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính u việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cả
máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ
vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng đợc sử dụng rộng rãi
và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định nh trong
công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ
quay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu
máy điện ). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một
chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo
quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó mà máy điện một chiều
vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song u điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nh bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi
phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một
chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển đơn giản hơn, lại đạt chất lợng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ữ
85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ữ 94% .Công suất lớn
nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài

trăm cho đến 1000v. Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu
kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn; đó là cả một vấn đề
rộng lớn và phức tạp. Vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi
đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế
bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều
kích từ độc lập kích từ bằng nam châm vĩnh cửu theo nguyên tắc đối xứng . Đây là
một trong những phơng pháp đợc dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động
cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phơng
pháp không đối xứng. Đây là một phơng pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và đợc
sử dụng rộng rãi bởi những u việt của nó.
I.2 Tổng quan về động cơ điện môt chiều
I.2.1.Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
\
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
I.2.1.1) Cấu tạo:
Động cơ điện một chiều có hai phần chính
Phần tĩnh và phần động
a) Phần tĩnh (stato).
Phần Stato là bộ phận đứng yên của máy nó bao gồm cực từ chính,cực từ
phụ (là bộ phận sinh ra từ trờng hay nó là phần cảm).
+) Cực từ chính
Là bộ phận sinh ra từ trờng, gồm có lõi sắt cực từ và dây quán kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép cực từ làm bằng lõi thép kỹ thuật điện mỏng, các cuộn
kích từ đợc quấn bằng dây đồng boc cách điện và tẩm sơn cách điện trớc khi đặt lên
cực từ các cuộn kích từ này đợc nối tiếp với nhau.
+) Cực từ phụ.
Cực từ phụ đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
thép thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn mà cấu tạo
giống nh dây quấn cực từ chính

+) Gông từ
Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
+) Nắp máy
Bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơi vào làm h hỏng dây quấn và
an toàn cho ngời vận hành. Trong động cơ điện nó đợc làm giá đỡ ổ bi
Cơ cấu chổi than: Để đa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than gồm có một chổi than đặt trong hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than và
cách điện với giá, giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho
đúng chỗ.
b)Phần quay hay Roto (phần ứng)
Bao gồm những bộ phận chính sau:
+) Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ, thờng dùng những tấm thép kỹ thuật dày 0,5mm phủ cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
]
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây
quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông gió
để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thành những đoạn
nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông 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 đợc ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto.
+) Dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy
qua. Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy

điện nhỏ có công suất dới vài kW thờng dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện
vừa và lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với
rãnh của lõi thép.
+) Cổ góp :
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều
phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và
hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt
lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên
một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đợc dễ dàng.
+) Các bộ phận khác.
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thờng chế tạo
theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy,
khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực
từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy th-
ờng làm bằng thép cacbon tốt.
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
^
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
I.2.2. phân loại động cơ điện một chiều
Trong đời sống và trong nhiều nghành sản xuất nh giao thông vận tải và
những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng đòi hỏi phải
dùng động cơ điện một chiều.Ngừoi ta phân loại động cơ điện một theo cách kích
thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại:
+) Kích thích độc lập:
khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch
kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = I.
Đối với các động cơ có công suất bé ngời ta dùng kích thích bằng nam châm
vinh cửu
+) Kích thích song song:

khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích
từ đợc mắc song song với mạch phần ứng nên I = I
u
+I
t
+) Kích thích nối tiếp:
cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện
trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =I
t
.
+) Kích thích hỗn hợp:
ta có: I = I
u
+I
t
Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều
khiển và ứng dụng khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đề tài này ta chỉ
xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng nam châm vinh cửu và biện
pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này.
I.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu
I.3.1) Phơng trình đặc tính cơ:
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
_
`
Y
a
b
V
c
Y

a

V
c
dO
V

Sơ đồ nối dây của động cơ
Kích từ đọc lập
`
Y
a
b
Y

a

dO
V

Sơ đồ nối dây của động cơ
Kích từ song song
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng
chung

M
K
RR

K
U
fu
u
6
ef
\

+


=

Thông qua phơng trình này, ta có thể thấy đợc sự phụ thuộc của tốc độ động
cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, ), từ đó đa ra phơng án để
điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất.
Với những điều kiện U

= const, I
t
= const, = const. Vì vậy quan hệ trên là
tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng.
Thờng dạng của đặc tính là đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen
ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ
Ngời ta đa thêm đại lợng




=

M
để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng
cứng (

càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và ngợc lại.
Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ biến đổi nhiều
thay đổi.


Để hiểu đợc nguyên lý và lựa chọn phơng pháp điều chỉnh tối u, trớc hết ta đi
xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc
dòng điện) của động cơ.
+Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện
áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động
cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị M
đm
,
đm
.
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn
hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, ngời ta đa ra khái niệm độ cứng của đặc tính
cơ: =/ (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).
I.3.2) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện
kích từ độc lập.
Phơng trình đặc tính cơ xuất phát:
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
g

h
h

BB

B
h

i
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
ufuuu
IRREU ef
++=
+U: điện áp phần ứng.
+E: sức điện động phần ứng.
+R: điện trở mạch phần ứng : R=r +r
cf
+r
b
+r
ct
+r: điện trở cuộn dây phần ứng.
+r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ.
+r
i
: điện trở cuộn bù.
+r
ct

: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+I: dòng điện mạch phần ứng.
+E đợc xác định theo biểu thức sau:



=
a
pN
Eu
\
+ p: số đôi 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.
+

: từ thông kích từ dới một cực từ.
+: tốc độ góc.

a
pN
K

\
=

Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ.

nKE
eu
=

__(jkgik\ nn
==


Vì vậy

n
a
pN
E
u
=
gi


K
K
K
e
[i_(i
__(j
==
Suy ra

u

fu
u
I
K
RR
K
U

+


=

Biểu thức (*) là phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ đợc xác định
udt
IKM 66=
Suy ra

=
KMI
dtu
k

Thay vào (*) ta đợc

dt
fu
u
M

K
RR
K
U
\
ef

+


=


H+ th% Linh_lp TZH1_K48
l
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Nừu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen
điện từ bằng M.
Ta có
M
K
RR
K
U
fu
u
\
ef
+

=

Đây là phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập. Đồ thị hình vẽ :
Nhận xét :
+ I=0 hoặc M=O ta có

i

=
+
=
fu
u
RR
U
Đây là tốc độ không tải lý tởng của động cơ

+ = 0 thì
fu
u
RR
U
I
+
=
: Dòng điện ngắn mạch.
nmnm
MIKM == 66

: Mômen ngắn mạch.


=



=
i
K
RI
K
U
u



=

+


=
i
\
ef
M
K
RR
K

U
fu
u

M
K
R
I
K
R
K
U
RRR
u
u
fu
\
i
ef

=

=

=
+=


Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lợng là: U, R, I.
Nh vậy thông qua các đại lợng biến thiên này mà ta có thể điều khiển đợc tốc độ

động cơ điện một chiều.
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
m
h
h

BBB
h

i
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
I.3.3 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính
của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản
xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phơng pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân
hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay
của động cơ điện thờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ
làm việc nh mở máy ,hãm máy và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật
mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thờng căn cứ vào một số chỉ
tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này đợc tính khi thiết kế và điều chỉnh
động cơ điện
Trong thực tế có 3 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
+ Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng
cấp cho mạch kích từ.
+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng đợc với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song
làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn nh: máy phát

điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển có chức năng biến năng
lợng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E
b
điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển
Uđk.
Ta có phơng trình



M
U
IKR
K
RR
K
E
RRIEE
dk
udmud
Km
udb
dm
b
udbuub
=

+


=

+=

ef
ef
i
Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ
không tải lí tởng tuỳ thuộc giá trị U
đk
của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói
phơng pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
j
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
+ Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó có
thể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng
với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.
+Với một cơ cấu máy cụ thể có
dmM
MK ((
i

xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh
D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

dm
dm
M
M
=
=
i
i

dmMcnm
MKMM
==

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn
men ngắn mạch là
dmMcnm
MKMM 6

==
(K
M
: là hế số mômen quá tải). Họ đặc
tính cơ là các đờng thẳng song song nên ta có

[
[
ke[f

e[f
[
ef
i
i



=


=
==
M
dm
dmM
dm
M
dm
dmnm
K
M
MK
M
D
K
M
MM

Với
dmM
MK ((
i

xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào . Khi điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh
thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có
thể tính sơ bộ đợc:
[ik
i

dm
M

.
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vợt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài ta
sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp này rất thích hợp trong những trờng hợp
M
t
=const trong toàn dải điều chỉnh.
* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào
b.2) Thay đổi điện trở phụ Rf
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[i

i




B
"
B


"[

"\
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Từ phơng trình đặc tính (*)

u
fu
u
I
K
RR
K
U

+

=
(*)
Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này . Vì phơng pháp này chỉ cho
phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn
hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phơng
pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thờng dùng ở động
cơ điện trong cần trục.
c) Kết luận
Qua các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ bằng nam
châm vĩnh cửu ta thấy phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm hơn
nh sau
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi
ta ding phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển
nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác
định là nh nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và phải có nguồn
áp điều chỉnh đợc song không đáng kể so với vai trò và u đểm của nó. Vậy nên ph-
ơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi.
I.4. Đảo chiều động cơ
Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phơng
pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng
kích từ I
kt
). Tuy nhiên đối với loại động cơ đang xét, để đảo chiều quay động cơ
chúng ta chỉ sử dụng đợc phơng pháp đảo chiều dòng phần ứng I

H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[[

"


B
"
B
a
b
ni
a
b[
a
b\
a
b]
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Từ những phân tích trên ta chon phơng pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp
phần ứng U (tức là điều khiển U) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng
I
I.5. Một số yêu cầu kỹ thuật khác
I.5.1 Độ trơn
i
i



[+

=

Trong đó:
[
(
+ii

là tốc độ ổn định của động cơ đạt đợc ở cấp i, i+1

[

tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dải điều chỉnh.
I.5.2 Dải điều chỉnh tốc độ
Là phạm vi điều chỉnh giữa tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ
làm việc ứng với mômen tải đã cho.





=D



:hạn chế bởi độ bền động cơ và của vành góp



: bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá
tải và sai số tốc độ làm việc cho phép.

I.6 Các chế độ làm việc khác của động cơ điện một chiều.
I.6.1 Các góc phần t làm việc
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[\
YYoHãm YYoĐộng cơ
YYoHãm
YYoĐộng cơ
R

nB
"
hpi
R

nB
"
hqi
R

nB
"
hqi
R

nB
"
hpi
h
B
B

B

B

B

ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ đợc phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần t tơng
ứng với chiều mômen và tốc độ nh hình vẽ.
+ I, III: trạng thái động cơ (


cùng chiều với M).
+ II, IV: trạng thái hãm (

ngợc chiều với M).
Công suất cơ P
cơ
=M
đ
.

Công suất điện của động cơ P
đ
=P
cơ
+

P (

P: tổn hao công suất)
I.6.2. Các chế độ làm việc khác của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
a) Khởi động
Từ phơng trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u
fu
u
I
K
RR
K
U

+


=
(*)
Khi khởi động nên
R
U
I
dm
nm
=
.ở động cơ công suất trung bình và lớn, R thờng
có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tơng đối lớn

dmnm
II _(\\ ữ=
Giá trị dòng lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của
động cơ cũng nh sụt áp trên lới điện. Đặc biệt là những hệ thống cần khởi động
(Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tợng tơng tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ gắn với chế độ khởi động sao cho

dmnm
II _(\\ ữ=
Vởy phơng pháp điều khiển giảm áp phần ứng là phù hợp nhất vì khi khống
chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi động. Điều
này giúp tăng tuổi thọ cho máy cũng nh đảm bảo cho cả hệ thống làm việc ổn định.
b) Chế độ hãm.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay,
Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc, và hãm động
năng.
+) Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng. Khi đó
U > E. Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới. So với chế độ
động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức

i
i
<

=

=
R
KK

R
EU
I
uu
h


hh
IKM 66=
. Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụ tải
thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ
ii

>
d
. Vì sơ đồ đấu dây của mạch động
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[]
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
cơ không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng mômen có giá trị âm. Đờng
đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ hai và thứ t (hình 2-14 ttđ)
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả về lới điện có
giá trị P = (E-U) I. Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lợng
hữu ích.
Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ đợc đấu vào nguồn theo
cực tính thuận và làm việc trên đặc tính c làm trong góc phần t thứ nhất. Khi muốn
hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu mômen do
trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ
xuất hiện trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới
i

>
od
+) Hãm ngợc
Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận
chuyển động hoặc do thế năng quay ngợc chiều với mô men điện từ của động cơ,
mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
Hãm ngợc khi đa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải)
Đặc tính hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lới, Động cơ làm việc
nh một máy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năng
thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn.
Đảo chiều điện áp phần ứng
Dòng điện Ih ngợc chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn

fu
uu
h
RR
EU
I
+

=

Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép:
dmnm
II _(\\ ữ=
+) Hãm động năng
Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của
động cơ đợc tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêu

tán dới dạng nhiệt.
Hãm động năng tự kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm

hu
hd
hu
u
hd
RR
K
RR
E
I
+

=
+

=


i<=
hdh
IKM

Chứng tỏ I
hd
và M
hd

ngợc chiều với tốc độ ban đầu. Năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do
động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
Hãm động năng tự kích
Nhợc điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm đợc do cuộn dây kích từ
vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục ngời ta sử dụng phờng pháp hãm động
năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lới điện
khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình hãm tốc độ giảm
dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[^
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
tính cơ nh đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phi tuyến. So với
phơng pháp hãm ngợc, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi có cùng tốc độ và
mômen cản, tuy nhiên hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm
động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới. Sử dụng đợc kể cả khi mất
điện.
I.7.Vấn dề phụ tải
Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển động cơ
điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phơng pháp phù hợp và tính toán
khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản theo
tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là
+ Không đổi: thang máy (1)
+ Tăng: nh trong quạt gió, bơm
+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt
gọt kim loại
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[
\
]
^

[_
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Chng II
Thiết kế mạch BM XUNG MT CHIU có đảo chiều (BXDC)
II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC):
rst)3;!$u<()&8G
<:<vớiK!<!$u@uK!<!$u
K8$9 )0G6
So với các phơng pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động
cơ một chiều nh phơng pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều,
bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lu có điều khiển thì
phơng pháp dùng mạch băm xung có nhiều u điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và
đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lợng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo
đợc trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày
càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có
hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp,
kích thớc nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công
suất nhỏ.
Z$!@vAI&-3/C"D
$)&4w/f0?(eC!$9fKQ
4Ae()&8u67<%$A($!@
)&&-o
cO8u<<6
cO8u/!;6
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[g
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
II.1.1 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:
[
"
6V
V 6V
O
= =
Trong đó đặt:

[

O
=
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).
II.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:
[
" [

V 6V 6b6V
O
= =
Vậy U
d

= U .
T
f
[
[
=

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.
II.1.3 Nhn xột
xy8F8u<<(A=8F4RzB
fR4-z"B"4e6O-A=8y/!;v4w
/67&:)GK"*9<
&<)fA4":f{|ee)!9<
Q u6})v$41/)0(/)084
H+ th% Linh_lp TZH1_K48


[

\
O
[l
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
u"^iiS~$\iiS~6d
>
Control st
u u
@>

&(AI4:)6

II.2. S nguyờn lý và các phơng pháp điều khiển bộ băm xung một chiều có
đảo chiều
ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT với công suất điều khiển yêu cầu cực
nhỏ.
Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh
điện áp và đảo chiều dòng điện tải .
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi
này thờng hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu
cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm .Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng
để trả năng lợng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh.
II.2.1.Cỏc phng phỏp iu khin
H+ th% Linh_lp TZH1_K48

bb


bb

V

[m
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
a.Ph ơng pháp điều khiển độc lập
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy
,cặp còn lại sẽ khoá.
+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ .
+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn .

b. Phng phỏp iu khin khụng i xng
Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần t thứ
1và thứ 2) tơng ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 đợc đóng mở
ngợc pha với S2.
Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc :

Trạng thái 1:

E>E
t
: Động cơ làm việc ở góc phần t thứ nhất .Năng lợng cấp
cho động cơ đợc cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0
ữ
t
1
.
+Trong khoảng t
1
ữ
T :Năng lợng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện
theo chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4.

Trạng thái 2:

E<E
t
: Động cơ làm việc ở góc phần t thứ 2 (chế độ hãm)
+Trong khoảng 0
ữ
t

1
:Động cơ trả năng lợng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2
(I
Đ1
=I
Đ2
=I
t
)
+Trong khoảng t
1
ữ
T :S
4
dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ
2
,S
4
(I
Đ2
=I
S4
=I
t
)

Trạng thái 3:

E=E
t

:
+Trong khoảng 0
ữ
t
0
: E
t
>

E :Động cơ trả năng lợng về nguồn qua Đ
1
và Đ
2

(I
Đ1
=I
Đ2
=I
t
)
+Trong khoảng t
0
ữ
t
1
:

E>E
t

: Động cơ làm việc ở chế độ động cơ
Năng lợng từ nguồn qua S
1
,S
2
cấp cho động cơ
+Trong khoảng t
1
ữ
t
2
: S
1
khóa ,S
4
mở .Năng lợng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho
động cơ và duy trì dòng điện qua Đ
2
,Đ
4
+Trong khoảng t
2
ữ
T :Khi năng lợng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động
động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S
4
,Đ
2
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
[j

V
[
V
^
V
\
V
]
V













i
i
i
i
i
i
ii
`

c`
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
Để động cơ làm việc theo chiều ngợc lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi
theo chiều ngợc lại. Lúc đó van T
4
luôn dẫn, T
1
luôn khóa; cặp vanT
2
và T
3
đóng mở
ngợc pha nhau.
Các biểu thức tính toán:
+Giá trị dòng trung bình qua tải
Ta có
UEiR
dt
di
L
t
t
=++ 66
Do đó
dtU
T
dtE
T
dtiR
Tdt

di
L
T
T
t
T
o
T
tt
T
t

=++
iii
[
6
[
6
[
66
[
R.I
t
+E=

U
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
\i
V
]

V
\
V
^
V
[



i
i
i
i
`
c`
ỏn in t cụng sut GVHD: Phạm Quốc Hải
R
EU
I
t

=

+Dòng trung bình qua van
e[6f
e6[ef[f
6
[
[[
[

[
aT
babU
R
L
I
S


=

Với

t
ea

=
[


i
[
t
eb =
Rút gọn ta có I
S
=

I
t

+Dòng trung bình qua Điôt

tD
I
R
E
a
bbaLU
I e[fe[f
[
e[ef[6f6
[
[
[[[

=


=

+Giá trị trung bình điện áp ra tải U
t
=

U
Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển

để điều chỉnh điện áp ra tải
c.Phng phỏp iu khin i xng
Cỏch 1: in ỏp ra n cc tớnh (Unipolar Voltage Switching)

Nguyờn tc iu khin
@)0K!"#4\O{["#
i \ O< <
(
{\"#
\ O \O < <
{]"#
O f[ eO< < +
(
{^"#
f[ eO \O+ < <
6
+Ch lm vic gúc phn t 1(
[ i(_> >
)
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
\[
Đồ án Điện tử công suất GVHD: Ph¹m Quèc H¶i
ƒO[({[{\AI>"#(<=AI/+V(
"H3;6
ƒO\({\0({]AI>"#("3)>
9"H?30:?{[t]6„,8C
49<=4i("H<=6
ƒO]({\4:AI>"#({]0(")<=AI
V+("H?3;6
ƒO^({^AI>"#({[0(")"H?3…
:?{\t^("H?3"AI<
`6
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
"[


"\




i
i
"]

"^

"

"

"
V
"
Y



[
\
{
{
[
]
{

t
[
\
{
{
^
\
t
{
O
O
γ
\\
Đồ án Điện tử công suất GVHD: Ph¹m Quèc H¶i
+Chế độ làm việc ở góc phần tư 2(
i(_γ >
).
Z&8&$<<=$<.!w8u
"H34
V ` f\ [eV `
"
Y i
"
a a
− γ− −
= = <
34†C;
`6Z&?@&AI=FA=†
i(_">?>K<=9`!$u1(")
"

Y i<
(
"H?3u6
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
"[

"\




i
i
"]

"^

"

"

"
V
"
Y



[
\

t
t
[
]
t
{
[
\
t
t
\
^
t
{
O
γ
O
\]
Đồ án Điện tử công suất GVHD: Ph¹m Quèc H¶i
ƒO[o{[{]1>$(3<
"H8?t[{]6O8("H?3;
>4M8;4AI:36
ƒO\o{]0({[{^AI>"#(">
9"H?3v?t[(Vt^(;4AIAIA
+("H?36
ƒO]o{[0({\{^AI>"#()"H?3
…:?{\t^("H?3;6
ƒO^o{[{^AI>"#({\0("H38?
t[(Vt^(;4AI3+("H?36
Chế độ làm việc của động cơ ở các góc phần tư 3 và 4 ứng với

i i(_< γ <
.
Cách 2: Điện áp ra đảo cực tính (Bipolar Voltage Switching)
Nguyên tắc điều khiển
-A=&8C{
[
{
\
‚{
]
{
^
41
CEC@AI&)0+6
O>&AI:!w&
*fA4":eo
c}$V
"
q

@{
[
{
\
AI>"#‚{
]
{
^
AI>06
c}$V

"
p

@{
[
{
\
AI>0‚{
]
{
^
AI>"#6
● Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải
H+ th% Linh_lp TZH1_K48
\^
Đồ án Điện tử công suất GVHD: Ph¹m Quèc H¶i

● Chế độ hoạt động:
•O[o{
[
{
\
AI>"#({
]
{
^
AI>0(<=
AI/+V("H?3;$%Y

6

•O\o{
[
{
\
AI>0({
]
{
^
AI>"#(A"
)>9"H3…:?t
]
 t
^
 
+({
]
{
^
!%:AI!•""-t
]
t
^
9("H
"
Y

i6
•O]o{
]
 {

^
 AI>"#(C49<=4‡V(
"H
"
;-AI4:fiY

-&"A=e6
•O^o{
]
{
^
AI>0({
[
{
\
AI>"#(A"
A)"H
"
:8-AI4:9"H
"
N8-
M(…:?""-t
[
t
\
+‚{
[
{
\
!%C

H+ th% Linh_lp TZH1_K48






{

"
V
"[

"\

"

"

"
Y
"
V
"

"
Y
t (t
[ \
{ ({

[ \
t
]
t
^
{
]
{
^
t (t
[ \
{ ({
[ \
t
]
t
^
{
]
{
^
[ \ ]^
O
O
γ
\_