Đồ án tốt nghiệp

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Nhóm sinh viên thực hiện:

Lớp

:

Ngành đào tạo
Tên đề tài : Thiết kế bộ băm xung áp một chiều điều khiển động cơ truyền
động........ trong ôtô.
*Số liệu cho trước:
- Thông số động cơ một chiều P=1kw, U=48V, n =1000vòng/phút.
* Chế độ tĩnh:
- Yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ D = 30/1; sai lệch tĩnhSt ≤ 3%
* Chế độ động:
- Với đặc tính dòng quá độ:
+ Thời gian quá độ tqđ ≤ 3s
+ Lượng quá điều chỉnh max ≤ 25%.
- Với đặc tính tốc độ quá độ:
+ Thời gian quá độ tqđ ≤ 2s
+ Lượng quá điều chỉnh max ≤ 30%.
*Nội dung cần hoàn thành:

1


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

1.Phân tích u cầu cơng nghệ của hệ thống
2.Thiết kế hệ thống :
-Thiết kế mạch lực
-Thiết kế mạch điều khiển
3.Phân tích và hiệu chỉnh hệ thống
-Phân tích các tiêu chuẩn của hệ thống
-Nếu các tiêu chuẩn khơng thoả mãn thì sử dụng các bộ điều chỉnh phụ trợ để
hiệu chỉnh cho thoả mãn các tiêu chuẩn của hệ thống
Giáo viên hướng dẫn
Ths Nguyễn Phương Thảo

Ngày giao đề : 10 tháng 4 năm 2006
Ngày hoàn thành:3 tháng 6 năm 2006
Ngày …tháng… năm2006
Chủ nhiệm bộ môn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
2


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Giáo viên hướng dẫn:

3


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Lời nói đầu
Trong giai đoạn cơng nghiệp hố, hiện đại hố nền kinh tế đất nước, ngày càng có
nhiều thiết bị bán dẫn cơng suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh
vực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Trong giao thông việc sử dụng đông cơ
xăng, điezen ngày càng có xu hướng giảm vì: Tiêu hao nhiều năng lượng, gây ơ
nhiễm mơi trường… Từ đó địi hỏi sự thay thế các loại động cơ trên bằng động cơ
điện là rất cần thiết. Ngày nay với sự bùng nổ tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điều
chỉnh tự động đã đáp ứng được những yêu cầu trên. Trước hết là phải kể đến các bộ

biến đổi điện tử công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh. Do đó, người
ta đã chế tạo ra bộ điều chỉnh động cơ được dùng trong lĩnh vực giao thơng. Đó là
thiết bị băm điện áp được sử dụng nhiều trong truyền động đầu máy chạy điện trong
giao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe vận chuyển hàng trong nhà máy, trên bến
cảng…
Trong nội dung đề tài này chúng em đưa ra bộ băm xung áp một chiều điều
khiển động cơ trong ơtơ điện. Vì bộ băm xung áp cho động cơ ơtơ một chiều có sơ đồ
điều khiển đơn giản tin cậy dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô.
Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên khơng
thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cơ đóng góp ý kiến để đồ án
được hồn thiện hơn.
Cấu trúc và nội dung chính của đề tài:
Chương1: Phân tích u cầu của hệ thống(mơ tả khái qt ngun lý hoạt động của
ôtô du lịch 4 chỗ của hãng TOYOTA)
Chương2: Tổng quan về động cơ điện một chiều (đặc tính truyền động và phương
pháp điều chỉnh tốc độ)
4


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Chương3: Thiết kế hệ thống......
Chương4: Phân tích và hiệu chỉnh hệ thống......

CHƯƠNG1: PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG
1. Vai trị và 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 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 không 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 ngành 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
5


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

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 và 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.
Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ từ đầu thập niên 70 của thế kỷ XX cùng với những
vấn đề mơi trường ngày càng nghiêm trọng do khí thải xe ô tô, con người đã phát
minh ra xe ôtô sử dụng động cơ lai hay cịn có tên gọi khác là động cơ Hybrid.
2. Động cơ Hybrid

Trong phạm vi đề tài này của chúng em đi nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển và
mạch động lực cho động cơ điện một chiều trong xe hơi Hybrid 4 chỗ của hãng
TOYOTA.
Động cơ hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid là dạng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động
cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện
dùng năng lượng ăcquy. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ
điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào
nạp điện cho ăcquy để sủ dụng về sau. Loại xe này sử dụng hai loại nguồn lực khác
nhau là động cơ đốt trong và động cơ điện. Nhờ kết hợp 2 nguồn lực này với nhau mà
động cơ Hybrid chẳng những tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu tối đa ơ nhiễm
mơi trường. Hình vẽ bên dưới là sơ đồ mô tả cấu tạo động cơ hybrid của hãng
TOYOTA cho loại xe du lịch 4 chỗ. Cấu tạo gồm có:
- Động cơ đốt trong (động cơ xăng) 1.
- Bộ đổi điện 2: Thông thường, năng lượng bị tiêu hao khi xe ô tô giảm tốc
hay dừng lại nhưng trên Hybrid, phần năng lượng đó nhờ bộ đổi điện được
6


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

chuyển thành điện và nạp vào pin. Quá trình này diễn ra tự động và không
yêu cầu bất cứ sự can thiệp nào của người lái.
- Động cơ điện 3: Tạo ra năng lượng (động năng) để cho ô tô chuyển động.
- Bộ chuyển đổi 4: Làm nhiệm vụ truyền năng lượng (động năng) do động cơ
điện tạo ra ra ngoài hệ thống truyền lực của ơ tơ.
- Ắc quy (pin): Làm nhiệm vụ tích trữ điện năng và cung cấp điện năng cho
động cơ điện làm việc.

Hình 1.1. Mơ hình động cơ Hybrid

Ngun lý làm việc: Tùy theo cấu tạo của động cơ hybrid mà nguyên lý làm việc
cũng như vai trò của động cơ khác nhau. Ta có sự so sánh hai hệ thống sau:
Hệ thống song song (hybrid parallel system)
Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục
xe, mức độ tuỳ theo các điều kiện khác nhau. Đó được gọi là hệ thống song song vì
dịng năng lượng tới các bánh đi song song. Hệ thống này chỉ có một motor điện do
vậy khơng thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe vừa nạp điện vào bình ăcquy. Khi
nào motor làm nhiệm vụ một máy phát điện, dòng điện từ ăcquy sẽ thay thế vai trị
của motor điện.

Hình 1.2. ngun lý của hệ thống song
song
1. ắc quy
2. bộ đổi điện
3. môtơ điện
4. bộ truyền lực

7


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Nhận xét: Hệ thống trên có nhược điểm là động cơ điện đóng vai trị vừa là máy phát
nạp điện cho ăcquy vừa truyền lực tới trục bánh xe, vì vậy mà motor điện khơng
truyền lực cho bánh xe được liên tục nên động cơ xăng vẫn giữ vai trị chính do đó
tiêu tốn nhiều nhiên liệu (hình vẽ).
Từ nhận xét ta thấy hệ thống liên hồn đã khắc phục được những nhược điểm
đó.
Hệ thống liên hoàn(series hybrid system)
Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền năng

lượng cho một máy phát điện. Dịng điện sinh ra chia
làm hai phần, một để sạc cho bình ắc quy và một để cung
cấp điện cho một động cơ điện một chiều (motor), bộ
phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe. Đó được gọi
là hệ thống liên hồn vì năng lượng truyền theo một q
trình liên tục. Một hệ thống Hybrid liên hồn gồm có hai
mơto, một chính là mơtơ điện và một là máy phát điện có

1.
2.
3.
4.
5.

ắc quy
bộ đổi điện
mơtơ điện
máy phát điện
động cơ xăng

Hình 1.2. nguyên lý của hệ
thống liên hoàn

8


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

cấu trúc tương tự.

-Trong sơ đồ liên hoàn, động cơ đốt trong (động cơ xăng) kéo máy phát cung cấp
điện cho ăcquy và động cơ điện, ở đây khơng có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn
động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành
cơ năng là quay rotor của máy phát tạo ra điện và từ điện năng lại chuyển thành cơ
năng làm quay bánh xe.
- Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi
nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được
ơ nhiễm mơi trường. Động cơ đốt trong có thể
chọn ở chế độ hoạt động tối ưu phù hợp với các
loại ơtơ, sơ đồ này có thể khơng cần hộp số.
- Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và môtơ điện
trong hệ thống trên là.

Hình 1.3. Sơ đồ truyền động của
động cơ Hybrid kiểu liên hồn

vì hệ thống liên hồn sử dụng động cơ để sinh ra
điện cho mô-tơ vận hành bánh xe, chúng có cùng lượng cơng việc như nhau.

3. Ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô điện
Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong xe Hybrid (xe 4 chỗ của
TOYOTA) là:
9


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

+ 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 êm, khởi động động cơ nhanh.
+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là khơng cố định.

Ngồi ra, truyền động xe hơi 4 chỗ cịn địi hỏi cao về độ an tồn khi vận hành.
Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản tin
cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ơtơ. Vì thực tế trong lĩnh vực giao
thơng cịn địi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn
đề đảo chiều quay động cơ.
*) Những truyền động của động cơ điện một chiều trong xe Hybrid.
- Có khả năng tăng tốc và giảm tốc dễ dàng.
- Nhanh chóng ổn định tốc độ.
- Đảo chiều quay.
- Có phản hồi tốc độ.
Để đưa ra được mạch điều khiển của động cơ điện một chiều. Trước tiên ta đi
giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đưa
ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong ôtô Hybrid.

10


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.
a.

Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song.

Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)


U u Ru  R f


.M
K ( K) 2

Với những điều kiện U=const, It=const thì từ


thơng của động cơ hầu như khơng đổi. Vì vậy

0

quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ
của động cơ là đường thẳng.
Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ khơng đến
M
Mđm
Hình 2.1. đường đặc tính cơ
của dộng cơ điện kích từ
song song

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 như vậy, động cơ điện kích
thích song song được dùng trong những trường
hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi.

b.

Động cơ điện kích thích nối tiếp.
11

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dịng điện kích thích chính là dịng điện phần
ứng : It= Iư=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 <0,8Iđm ; cịn khi I >(0,8  0,9)Iđm
thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ.
Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:
M=CM..Iư=CM.
 n

C M .U
Ce. K  .M

2
K


Ru
U2
U
nếu bỏ qua Rư thì: n 
hay: M= 2
C e .K 
n
M

Như vậy khi mạch từ chưa bão hồ, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích
nối tiếp có dạng là đường 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
thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối
M*
Mđm
Hình 2.2 đường đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích từ nối
tiếp

thiều P2=(0,2  0,25)Pđm. 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 ưu 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 được 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 ngược nhau. Trên thực tế người ta
12


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược khơng đảm bảo được 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 thơng

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 thơng khơng
mạnh như 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 được điều chỉnh
như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về ngun tắc có thể áp dụng
những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp.
Từ những tính chất của từng loại động cơ như 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 được những yêu cầu
về truyền động. Ta có thể nêu ưu 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 thơng có u 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 trường kéo tải nặng nề.
+ Vì từ thơng của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I ư nên khả năng
chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp cho
những truyền động dùng trong ngành giao thơng có đường dây cung cấp điện đi kèm
theo tải.

13


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy nhiên
người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái
sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động.
2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thơng có thể
dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải
điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương 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 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ, tức là thay đổi Uư.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đổi từ thơng .
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay đổi được liên
tục và giữ được hiệu suất của động cơ là khơng đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác
dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do bình
thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max),
nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong
vùng trên tốc độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và
đảo chiều quay nên phương pháp này khơng thích hợp trong trường hợp động cơ kéo
tải giao thông.
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc
độ quay dưới tốc độ định mức vì khơng thể nâng cao điện áp lên trên U đm của động
cơ. hương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau:
+ Hiệu suất điều chỉnh cao.
14


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

+ Khơng có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư  mômen ngắn mạch Mnm
giảm, dòng ngắn mạch Inm 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 như nhau.
+ Điều chỉnh trơn trong tồn bộ giải điều chỉnh.
Tuy vậy, phương pháp này địi hỏi cơng suất điều chỉnh cao, và địi hỏi phải có

nguồn điện áp điều chỉnh được.
Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương 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 như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ
cấu cơ khí như đã đề cập ở trên.
Như vậy vấn đề quan trọng nhất trong khuôn khổ đồ án mà chúng em đưa ra
chính là việc thiết kế một bộ điều chỉnh nhằm điều chỉnh động cơ Hybrid trong ôtô
điện. Bộ điều chỉnh này chính là thiết bị băm điện áp, bộ băm điện áp này cho phép từ
một nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ud-là điện áp một chiều nhưng có thể
điều chỉnh được.
Sự phối kết hợp giưã động cơ Hybrid và động cơ xăng trong việc truyền động
trong ôtô chạy điện là cần thiết.Động cơ điện dùng truyền lực trong ơtơ có cơng suất
vừa và nhỏ nên bộ băm xung áp là phù hợp.Chương tiếp theo sẽ trình bày về thiết kế
hệ thống băm xung áp.

15


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.
I. Thiết kế mạch động lực
1. Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều.
Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong điều
chỉnh tốc độ động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ôtô người ta có
thể thay đổi góc mở chậm ỏ nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lưu, hoặc thay đổi
tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều.
Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu thyritor - động cơ chỉ ứng dụng trong trường
hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tiristor – động
cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho

truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn.
Với loại động cơ cơng 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 tốn là xấp xỉ bằng 1);
ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện mơi trường vì tham số điều khiển là thời gian
đóng mở van, đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn nên rất phù hợp với ôtô điện.

16


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái
lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng như
vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
L2

K





Chỉnh
lưu
khơng
điều
khiển

C2

D

Tải




Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một

Trên sơ đồ
thì bộ băm xung áp làm việc như một cơng tắc tơ tĩnh (K) đóng mở liên
chiều
tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành
các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb 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 Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế
là khơng đổi, mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khố 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 khơng mong muốn và từ
đấy tránh được momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó. Tần số
đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽ
sinh ra nhiễu vơ tuyến. Vì vậy, phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở

17


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

dải tần thích hợp (dưới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz 
600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor
hoặc Transistor (cơng suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao
khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng
mở thấp (dưới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor cơng 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 u cầu làm mát không cao bằng Tiristor, nhưng
Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor. Vì vậy, ở những
mơi trường 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 trường hợp thì việc lựa chọn khơng rõ ràng.
Ngồi sự ảnh hưởng của các thơng số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các
linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ơtơ cịn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh
là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vịng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định
tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượng điều chỉnh.
2. Bộ băm xung áp một chiều.
Như đã giới thiệu ở trên, bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong
truyền động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá
trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý
chung của bộ biến điện áp một chiều, ở phần này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan
18


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

nguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực
tế.
Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức
khác nhau.
Ura

BBĐ
US

một

Ura
t1

chiều

t2

t

T
Hình 3.2. sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và
dạng xung ra của BBĐ.

Ura là một dãy xung vng (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. 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 phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp
sụt trên các phần tử cơng suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dịng qua nó ở trạng thái mở
rất nhỏ.
Phương pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phương pháp:
Thay đổi độ rộng xung (t1).
Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
2.1.Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giá trị trung bình
của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
19


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

U tai 

t1 .U S
  .U S
T

trong đó đặt:  

t1
là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
T

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <   1).
Phương pháp thay đổi tần số xung

2.2.

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, cịn t1=const. Khi đó:
U tai 

t1
.U S  t1 . f .U S
T

Vậy Ura= US khi f 

1
và Ura= 0 khi f = 0.
t1

Ngồi ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi
độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi
kèm.
Các dạng cơ bản:
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ
đồ sau:
a)Biến đổi hạ áp:
Sơ đồ nguyên lý như sau:
L1

K
D

US

Ura

Clọc

Hình 3.3. sơ đồ nguyên lý của khoá mắc nối
tiếp

Tải

20


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Phần tử điều chỉnh quy ước 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 ngược với Ura để thốt dịng
tải khi khố K ngắt.
+ K đóng  US được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utải = US (nếu bỏ qua
sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dịng Itải do năng lượng tích
luỹ trong cuộn L và Ltải, dịng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0.
Như vậy, Utải tb  US. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
WI 

U tai

US

b. Biến đổi tăng áp:
Sơ đồ như sau:

US

L1

Ura

K

Clọc

Tải

Hình 3.4. sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K
song song

21


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L 1
khơng tham gia vào q trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trị này.
+ K đóng, dịng điện từ +US qua L1  K  -US. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC
(đã được tích điện trước đó).
+ K ngắt, dịng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải. Vì từ thông trong L1 không
giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL  w

d
, có
dt

cùng cực tính US. Do đó tổng điện áp: U=US+eL  làm D thông  Utải=US+eL. Vậy
ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U S ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
WI 

U tai
1

US 1 

c. Biến đổi đảo cực:
Sơ đồ mắc như sau:

D

K
L

US

Ura

Clọc

Tải

Hình 3.5. sơ đồ nguyên lý khi khoá K mắc nối tiếp
nhưng có đảo cực

L1 chỉ đóng vai trị tích luỹ năng lượng.
C đóng vai trị lọc.
22


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

+ K đóng, trên L1 có US, dịng chạy từ +US  K  L1  -US. Năng lượng tích
luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ơt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng 
D thơng  năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; U tải sẽ ngược chiều với
US.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US. Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay
nhỏ hơn US.
d. Biến đổi cơng suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:
Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US.
Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3,  làm việc lệch pha
nhau một góc 2/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc
f=f/n.
Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lượt và đồng thời.
Nhận xét: Các bộ biến đổi (c & d) có ưu điểm ở chỗ là cho phép nhận được điện áp
ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải cơng
suất nhỏ nên ít thơng dụng.
3. 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 như đã giới thiệu ở mục trên.
Dưới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:
Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục.

23


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh năng
lượng và có thể áp dụng được nhiều chế độ điều khiển khác nhau.
3.1. Sơ đồ băm xung áp loại B.
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau:
+ 




S1

D2
L1

US

C



R


id

S2

- 



ud

D1



E



Hình 3.6. sơ đồ nguyên lý bộ băm xung áp loại B

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-LE; trong đó E là sức phản điện động của động cơ.
+ D1 là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh
cho nguồn.
a) Hoạt động của sơ đồ :
Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khố đóng cắt;
cịn S2 khơng làm việc. Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về
âm nguồn. Khi S1 khố dịng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là
liên tục ngay cả khi S1 khoá.
24

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Để đảo chiều dịng điện phần ứng động cơ (dòng i d) ta cho S2 và D2 vào vận
hành cịn S1 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 S2
 xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu. Công suất điện từ của động cơ
là: Pđt= Id.E > 0.
Cơng suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S 2 ngắt, trên điện cảm L
sinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E. Tổng hai sức điện động này
lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng
lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.
Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung
vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1.
Sau đây là biểu đồ dạng sóng mơ tả hoạt động của sơ đồ:

iđk1
t

0
iđk2

t

0
ud
US

Ud

0

t

id

0

Id

t

25