Đồ án Thiết kế bộ băm xung một chiều ppsx

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều





Đồ Án
Thiết kế bộ băm xung
một chiều



Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
1
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Mục lục
Chương I Khái Quát Công Nghệ………………………………….…… 3
I.1) Cấu tạo…………………………………………………………3
I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song
song ………………………………………………………….4
I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều………………… 5
I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song 6
I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ………………………….8
Chương II Tính Chọn Mạch Lực………….…………………………… 9
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….… 9
II.2) Chọn Mạch Lực……………………………………………….10
II.2.1) Nguyên lí hoạt động…………………………………… 10
II.2.2)Công thức tính toán………………………………………11
II.3) Tính toán mạch lực ………………………………….… 13
Chương III – Tính chọn mạch điều khiển …………………………… 14

III.1) Chọn các khâu trọng mạch điềukhiển…………………………14
III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa…………………………… 14
III.1.2) Mạch so sánh…………………………………… 16
III.1.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đạị xung…….17
III.1.4) Mạch phản hồi …………………………………… 18
III.1.5) Sơ đồ mạch điều khiển.………….……………… 19
III.2) Tính chọn thiết bị …………………………………………… 20
III.2.1)Mạch tạo điện áp răng cưa……………………………20
III.2.2)Mạch so sánh………………………………………….21
III.2.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung…22
III.2.4)Mạch phản hồi…………………………………………22
Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng………… 23
Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 24

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
2
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Lời nói đầu

Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như đông cơ
điện đồng bộ,động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều…, trong đó động cơ
điện một chiều có những ưi điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế;
Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của
trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng
một cách triệt đẻ, tinh vi và sang tạo . Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng
thao yều cầu công nghệ, ta cần rất nhiệu yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận
hành … trong đó , bộ điều chỉnh điện áp một chiều ( băm xung một chiều – BXMC)
có vai trò đặc biệt quan trong, bộ BXMC càng tối ưu càng dễ vận hànhm, tăng chất
lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ. Ngày nay , sử dụng động cơ điện một

chiều luôn luôn gắn liện với , không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ
điều chỉnh BXMC. Vậy thiết kế bộ BMXC như thế nào ?
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện
tử công suất với đề tài : Thiết kế bộ băm xung môtj chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn nặp từ acqui.
Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng sự
hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là TS. Võ Minh Chính đã
trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này, Đồ án được bao
gồm ba phần chính :
1. Chương I : Khái Quát Công Nghệ
2. Chương II : Tính Chọn Mạch Lực
3. Chương III : Tính Chọn Mach Điều Khiển.
Do lần đầu làm đồ án chưa có kinh nghiệm nên em không tránh khỏi những
sai sót, mong các thầy cô giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo để kiến thức của em vể bản
đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !.
Hà nội, ngày 25 tháng 12 năm 2009
Sinh Viên
Đào Thị Hiện

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
3
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Chương I – Khái Quát Công Nghệ
I.1) Cấu tạo máy điện một chiều
Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần
quay.
1) Phần cảm (stator):
Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ
+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép
lại và tán chặt.
+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây
đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên
các cực từ.
- Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi
thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như
cực từ chính.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện
từ nguồn một chiều vào rôto . Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ.
2) Phần ứng (rotor):
Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I
và từ thông Φ sinh ra mômen quay. Nó gồm ba phần chính:
- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có
xẻ rãnh để đặt các bối dây.
- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó
được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối
dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu
mômen lớn hay nhỏ.
- Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối
với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng.
Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm nguội máy,
trục máy
Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các
dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
4

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ
nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d).
Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì
mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc nay động cơ
được gọi là động cơ kích từ song song.
I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
song song:
1) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa

mô men điện từ M
đt
và tốc độ góc ω của động cơ.
2) Đặc tính cơ:
Từ phương trình cân bằng điện áp :



Φ=
−=
ω

.E
0
0
KE
RIU
u
⇒

2
.
.

.
. Φ
−
Φ
=
Φ
−
Φ
=
K
RM
K
U
K
RI
K
U
uu
ω
Độ cứng đặc tính cơ:
u
R
K
2
).( Φ
=

∆
∆Μ
=
ω
β
β càng lớn đặc tính cơ càng cứng . Đồ thị:
Φ
=
.
0
k
U
ω
: tốc độ không tải lí tưởng. M
mm
=
u
R
KU Φ
: Mômen mở máy.

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
5
TN
M
n
M
C
M
C1

n
0
n
yc
n
1
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều:
1) Mở máy:
Từ phương trình điện áp phần ứng :
U=E
u
+R
u
.I
u
u
R
u
u
EU
I
−
=⇒
Khi mở máy n=0 ⇒ E
u
=
Φ
60

.
n
a
Np
=0.Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I
umở
=
u
R
U
vì R
u
nhỏ I
umở
lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để giảm dòng
điện mở máy ta dùng các biện pháp sau:
+ Dùng biến trở mở máy R
mở
:
Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này :
Iưmở =U/(Rư+Rmở )
Lúc đầu để R
mở
max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở
này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức.
+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:
Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn
điện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay
bộ băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ
động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi.

2) Các trạng thái hãm động cơ:
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ
quay .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy
theo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:
a) Hãm tái sinh: Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ
lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh E
u
>U
u
, động cơ làm việc như một
máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã
đổi chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ
IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công
suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
6
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

b) Hãm ngược: Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi
phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen
thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ
chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược : Đưa điện trở
vào mạch phần ứng và đảo chiều điện áp phần ứng.
c) Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ
học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng
tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượng
nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì
vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh.

I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song:
Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:
- Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển.
- Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều.
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều đã trở
thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện.
Từ phương trình về vận tốc:

2
.
.

.
.
Φ
−
Φ
=
Φ
−
Φ
=
K
RM
K
U
K
RI
K
U

uu
ω
. Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều như sau :
1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp:

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
7
U
1
U
2
U
3
TN( U
dm
)
n
0
n
cb
n
1
n
2
n
3
M
n
M

C
U
dm
> U
1
> U
2
> U
3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đặc điểm :
- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó
độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi.
- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ.
- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn.
2) Thay đổi điện trở phần ứng R
u
:
Đặc điểm :
- Khi thêm R
uf

vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay
đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ
dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều
chỉnh tốc độ băng R
u
ít được sử dụng.
- Ngoài ra khi thêm R
u
vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng
động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động
cơ.
3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:
Đặc điểm :- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều
chỉnh giảm từ thông trong động cơ.

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
TN
R
f1
R
f2
R
f3
0
M
C
n
3
n
2

n
1
n
cb
n
0
n
M, I
0 < R
f1
< R
f2
< R
f3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3
8
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

- Khi từ thông Φ
dm
giảm đến Φ
i
thì có một M

ik
nào đó, khi M
c
< M
ik
việc giảm Φ
sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M
c
>M
ik
việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ.
Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì
quan hệ Φ(ω) là phi tuyến.
I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ:
Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên
thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin
cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật
bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được
và đem lại hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một
chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoài ra nữa còn có thể
thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ.


Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
9
Φ1
Φ
2
Φ
ñm

0 M
C
M
2
M
1
M
n
n
cb
n
1
n
2
n
M
φ
ñm
> φ
1
> φ
2
n
cb
< n
1
< n
2
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:
1) Nguyên lý:
Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U
s
tạo ra điện áp
tải U
ra
cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được.
Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng
giá trị trung bình của điện áp xung: U
ra
= γ .U
s
(γ=t
1
/T). Nguyên lý cơ bản của các
bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có
chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên
tải.
2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
a) 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:
S
S
tai
U
T
Ut

U .
.
1
ε
==
trong đó:
T
t
1
=
ε
là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε ≤ 1)

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
BBĐ
một
chiều
U
S
U
ra
U
ra
t
t
1
t
2
T

10
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương 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 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.

II.2) Chọn Mạch Lực
Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta có thể chọn
mạch lực là bộ biến đổi xung áp hai nhịp . Sơ đồ hình vẽ:
Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là các diot.
Sơ đồ này cho phép động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất ( chế độ động cơ) và
góc phần tư thứ hai ( chế độ hãm).
II.2.1) Nguyên lí hoạt động
Các van V1, V2 được đóng mở ngược pha với nhau trong chu kỳ T. Van V1
dẫn điện trong khoảng 0 ÷ t1 (V2 khoá), K2 dẫn điện trong khoảng t1 ÷ t2 (V1
khoá). Van V1 và V2 được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển Ug1 và Ug2.
Trong quá trình làm việc có thể có ba trạng thái sau :

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
11
Us
V2
D2
Đ/c
D1
+
-
V1
L
U
R
i
K2
i
K1

i
D1
i
t
i
D2
E
Đ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Trạng thái 1: Nếu U
R
> E
Đ
, ( U = E.γ) năng lượng từ nguồn luôn được cấp cho động
cơ. Động cơ sẽ luôn làm việc ở góc phần tư thứ nhất (hình e).
Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua V1 và qua động cơ : i
V1
= i
t
= i
1
.
Trong khoảng từ t1 ÷ t3 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua diot D2 và: i
D2
= i
t
.
Trạng thái 2 : Nếu U
R

< E
Đ
, dòng năng lượng sẽ đi từ động cơ trở về nguồn qua diot
D1 và động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (hình f).
Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ động cơ về nguồn qua D1 và qua :
i
D1
= i
t
= i
1
, động cơ hãm tái sinh.
Trong khoảng từ t1 ÷ t3 khi V2 mở, dòng tải khép mạch qua V2 và: i
V2
= i
t
,
động cơ thực hiện hãm động năng.
Trạng thái 3 : Nếu U
R
≈ E
Đ
, ở trạng thái này dòng tải có thể đảo dấu (Hình g).
Trong khoảng từ 0 ÷ to tương ứng với trạng thái U
R
< E
Đ
động cơ làm việc
như máy phát tra năng lượng về nguồn qua D1 và: i
D1

= i
t
= i
1
.
Trong khoảng từ to ÷ t1 tương ứng với trạng thái U
R
> E
Đ
, nguồn sẽ cấp năng
lượng cho động cơ thông qua V1

: i
K1
= i
t
.
Trong khoảng từ t1 ÷ t2, V2 mở (V1 khoá) dòng tải vẫn giữ nguyên theo
chiều cũ (trong mạch có điện cảm L) nên dòng tải khép mạch qua diot D2 và i
D2
= i
t
và sẽ giảm về 0 tại thời điểm t2 (năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L lúc này giảm
về 0).
Trong khoảng từ t2 ÷ t3, sức điện động của động cơ sẽ làm cho dòng điện
đảo chiều và dòng tải sẽ đi qua V2 (động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng).
II.2.2)Công thức tính toán :
- Giá trị trị trung bình điện áp trên tải :
UsUtb
γ

=

)
1
(
T
t
=
γ
- Giá trị dòng trung bình qua van V1 :
tK
II
γ
=
1
- Giá trị dòng trung bình qua diot D1:
tD
II
γ
=
1
- Giá trị dòng trung bình qua van V2:
tK
II )1(
2
γ
−=
- Giá trị dòng trung bình qua diot D2:
tD
II )1(

2
γ
−=
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van: U
ng
= U
S

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
12
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều


Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
13
U
g1
U
g2
i
i
V
u
D1
, u
D1
Đồ thị điện áp và dòng điện
U
S
U

R
U
tb
i
V
i
V1
i
D2
i
D1
i
V2
t
0
t
1
t
2
t
3
i
D1
i
V1
i
D2
i
V2
t

1
t
2
T
0
0
0
0
0
0
t
t
t
0
t
t
t
t
U
S
a)
b)
c)
e)
f)
g)
h)
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

II.3)Tính toán mạch lực:

II.3.1) Chọn van V1,V2
Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của van V1, V2 trên sơ đồ thì các thiết bị
bán dẫn công suất sau có thể đáp ứng được: GTO, BJT, MOSFET, IGBT.
Đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng
điện 40A thì sử dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí.
- Để chọn van IGBT, ta cần tính toán I
C MAX
(dòng trung bình lớn nhất qua
van) và điện áp ngược lớn nhất U
CES
của van IGBT.
- Vì mỗi van IGBT đều có một diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu
điện áp ngược. Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các
chế độ khắc nghiệt nhất đối với từng van.
- Ta có dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải:
I
max
= I
tải
= 40 (A).
- Vậy I
chọn
= k
i
.I
max
= 4.40 = 160 (A) ,ở đây ta chọn k
i
= 4 (với điều kiện làm
mát tự nhiên).

- Chọn IGBT là loại GA200SA60U so nhà sản xuất IR có thông số sau:
Loại U
cemax
/(v) I
cmax
/(A) U
ce
(sat) /
(V)
P
dmax
/(W) I
ces
/µA
GA200SA60U 600 200 1,9 500 1000
II.3.2 Chọn Diot D1,D2:
- Chọn diot D1, D2 có điện áp ngược lớn hơn U
ngmax
= U
S
= 12(V), và có
dòng làm việc max lớn hơn hoặc bằng I
chọn
= k
i
.I
max
= 4.40 = 160A (với điều kiện
làm mát tự nhiên).
- Vậy chọn D1, D2 là loại B3-200do Đông Âu sản xuất:

Ký hiệu Ihd
(A)
Itb
(A)
Uo
(V)
Rđ
10
-5
Ω
Ungmax
( V )
RT
oC/W
I rò
(mA)
B3-200 320 200 1,1 110 600-3600 0,12 10


Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
14
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều


CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
III.1) Chọn Các Khâu Trong Mạh Điều Khiển :
III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa:
Mạch này có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa răng cưa với tần số theo ý muốn của
người thiết kế. Mạch này gồm mạch phát xung dao động dùng IC555 và mạch tạo

điện áp tựa răng cưa dùng BT.
Mạch như hình vẽ

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
15
Tạo điện
áp răng
cưa
So
Sánh tạo
xung
Mạch chia,
mạch tạo trễ,
mạch khuếch
đại xung
Van động
lực
Tải
Phản
hồi
U
cđ
U
ph
U
đk
U
cc
U
3

R
4
T
3
T
2
R
3
R
R
R
OA2
R
S
T
C
1
R
2
R
1
T
1
OA1
C
2
1
6
7
8

4
3
2
IC 555
Q1
U
rc
Q
R
0
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đồ thị điện áp xung :
Nguyên lý :
Giả sử tại thời điểm t = 0, U
3
= U
cc
(điện áp đầu ra của vi mạch IC555), T
2

mở làm cho T3 khoá, tụ C2 được nạp điện qua R4 tới điện áp
1
T
RC
U
U
CC
RC
=

.
Đồng thời tại thời điểm này, vì U
3
= U
cc
nên đầu ra Q của Triger RS có điện
áp 0 =>T1 khoá, tụ C1 được nạp điện qua R1 và R2,
)1(
)21(
1
CRR
t
ccc
eUU
+
−
−=
.

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
16
t
1
t
2
t
3
t
U
3

t
U
rc
T
T
1
T
2
Đồ thị điện áp xung
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Tại t =t1,
3
2
1
CC
C
U
U ≥
làm OA1 thay đổi trạng thái, Triger thay đổi trạng thái
=> Q1 = 0, Q = U
cc
=> T1 mở, tụ C1 phóng điện qua T1 và R2. Trong giai đoạn này
vì Q1 = U
3
= 0 => T2 khoá làm T3 dẫn, tụ C2 được phóng điện qua T3.
Tại t = t2,
3
1
CC

C
U
U =
làm OA2 chuyển trạng thái => Triger chuyển trạng thái
=> Q = 0, T1 tụ C1 được nạp điện. Đồng thời trong thời gian này Q1 =U
3
= U
cc
=>
T2 mở, T3 khoá => tụ C2 lại được nạp điện, và quá trình trở lại trạng thái ban đầu.
Đồ thị điện áp như hình vẽ trên.
Tính toán :
T = C
1
.(R
1
+2R
2
).ln2 ; T
1
= C
1
.(R
1
+R
2
).ln2 ; T
2
= C
1

.R
2
.ln2 ;

1
T
RC
U
U
CC
RC
=
.
III.1.2) Mạch so sánh :
Mạch này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa răng cưa với điện áp điều
khiển. Tại các thời điểm điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh đi
mở các van bán dẫn.
Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán, sơ đồ mạch như hình vẽ.
Nguyên lý :
Điện áp đầu ra của khâu tạo xung sẽ được đưa vào đầu vào đảo của KĐTT và
điện áp điều khiển sẽ được đưa vào đầu vào không đảo của KĐTT. Nếu U
RC
>U
đk
thì
điện áp U
ra
= +E, nếu U
RC
<U

đk
thì KĐTT sẽ lật trạng thái và U
ra
=-E Đồ thị điện áp :
(hình vẽ).

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
17
U
rc
U
đk
R
5
R
6
OA3
+
-
+E
-E
U
ra
R
hc
D
z
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đồ thị điện áp xung

Từ đồ thị điện áp ta thấy rằng nếu thay đổi U
đk
thì độ rộng của xung ra cũng thay đổi
theo, tức γ thay đổi.
III.1.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung :
Mạch chia: có nhiệm vụ phân chia xung thành hai kênh ngược pha nhau
Mạch tạo trễ: các van V1 và V2 được đóng mở ngược pha nhau để chống
ngắn mạch do van này chưa kịp khoá mà van kia đã có lệnh mở, nên ta phải thêm
vào trước mỗi van một mạch tạo trễ. Sơ đồ và nguyên lí hoạt động:
Thời gian trễ v o kho¶ngà
t
trÔ
= 0,693R
30
.C
3
Để mạch làm việc an toàn
ta phải có t
tr
> t
off
của van
thời gian này sẽ được tính
toán sau khi chọn van mạch
lực.

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
18
U
đk

U
rc
U
ra
t
t
U
Đồ thị điện áp
U
ra
U
G
t
tr
γT T
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Mạch khuếch đại: tạo ra xung có đủ công suất (đủ điện áp và dòng điện) đi
mở hoặc đóng van động lực và thêm nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển
Vì điện áp của mạch lực là nguồn ác quy có điện áp 36V, điện áp thấp nên
không cần thiết phải có mạch cách ly giữa nguồn điều khiển với nguồn lực. Để đảm
bảo chất lượng xung điều khiển , giảm kích thước mạch điều khiển ta chọn mạch
chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung sử dụng vi mạch NAND, AND, BT và
Photo – Transistor . Sơ đồ hình vẽ
+25V
U
g1
R
1.9
T

1.5
T
1.4
R
1.8
R
1.7
+5V
U
g2
R
2.9
T
2.5
T
2.4
R
2.8
R
2.7
+5V
+25V
AND 1
NAND
2
+5V
R
20
+15V
C3

AND2.1
NAND 2.1
R
20
+15V
Stop
Start
AND 2.2
NAND 2.2
C
3
Ura

III.1.4) Mạch phản hồi :
Mạch phản hồi có nhiệm vụ ổn định tốc độ của động cơ khi tải thay đổi.
Ta thấy rằng tải thay đổi làm tốc độ của động cơ cũng thay đổi nếu như không có
khâu phản hồi. Do vậy, để ổn định tốc độ cho động cơ ta thiết kế mạch phản hồi âm
tốc độ, dùng máy phát tốc nối cứng trục với động cơ

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
19
+15V
-15V
OA2
+15V
-15V
OA3
+15V
R
10

R
11
R
12
R
13
R
15
R
14
R
16
R
17
R
21
RX
Ð/C
FT
WR
1
WR
2
U
d
U
ph
e
U
dk

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Khi tải động cơ thay đổi ( giảm ), tốc độ của động cơ cũng thay đổi ( tăng) làm tốc
độ của máy phát tốc FT cũng thay đổi ( tăng) dẫn đến điện áp phản hồi U
ph
= k
FT
. n
FT

cũng thay đổi ( tăng ) và ngược lại ( mặc dù điện áp điều khiển vẫn giữ nguyên ). Do
vậy ta sẽ lấy điện áp phản hồi âm tốc độ thông qua máy phát tốc FT so sánh với điện
áp đặt U
đ
. Mạch phản hồi như hình vẽ :
Từ mạch phản hồi ta có
phd
U
R
R
U
RR
R
R
RR
e ×−×
+
×
+
=

12
13
1011
11
12
1213
Chọn R
10
= R
11
=R
12
=
R13
nên e =U
d
- U
ph








+
+
+
=

15141617
16
1514
11
R
RRRR
R
e
R
U
U
d
dk
Chọn R
14
= R
15
= R
16
= R
17
nên U
đk
= U
đ
+ e
Ở chế tĩnh , chỉnh định VR
2
sao cho U
đ

= U
ph
đển e = 0
Ở chế độ động nếu U
ph
> U
d
( tức tốc độ của đông cơ tăng) thì e mang dấu âm và do
đó U
đk
cũng giảm làm góc dẫn γ của van động lực giảm, điện áp đặt vào động cơ
giảm, tốc độ của động cơ được giảm về giá trị đặt và ngược lại
III.1.5) Sơ đồ mạch điều khiển
III.2. Tính chọn thiết bị.
III.2.1) Mạch tạo điện áp răng cưa :

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
20
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Từ trên ta có :
T = C
1
.(R
1
+2R
2
).ln2 ; T
1
= C

1
.(R
1
+R
2
).ln2 ; T
2
= C
1
.R
2
.ln2 ;
T=T
1
+T
2
= C
1
.(R
1
+2R
2
).ln2;
1
T
RC
U
U
CC
RC

=
Để phù hợp với yêu cầu của tải là động cơ thì cần có dãy xung vuông có tần số f =
500hz ;
T
f
1
=
=>
mss
f
T 2002,0
500
11
====
.
Theo đề tài thì dải điều chỉnh của động cơ là 10/1 => γ = 1/10 ÷ 1 ;
T
T
1
=
γ
.
Mặt khác
1,0
10
1
min
==<
γα
.

Vậy chọn α = 0,04 =>
msTT 08,02.04,0
2
===
α

Chọn IC 555 là loại NA555, có các thông số :
Loại U
CC
(V) U
I
(V) I
O
(mA)
NA555 4,5÷16 U
CC
±200
Chọn C
1
= 0,1µF =>
Ω=== K
C
T
R 15,110.
693,0.1,0
08,0
2ln
3
1
2

2
;

Ω=−
−
=−= KR
C
T
R 55,2610.15,110.
0693,0.1,0
)08,02(
2ln
33
2
1
1
1
Chọn C
2
= 0,1µF, U
cc
= 15V =>
Ω=
−
==
−
−
K
C
T

R 7,27
10.1,0.2ln
10).08,02(
.2ln
6
3
1
1
4
mA
R
U
I
CC
CT
54,0
10.7,27
15
3
4
3
===
=>
Chọn Tranzito T2, T3 là loại N-P-N có I
C
> 15mA, có U
ce
>U
cc
=15V .Vậy chọn T2,

T3 có thông số sau :
Loại P
max
(mW) f
max
(Mhz) T
max
(
o
C) V
cb
V
ce
V
eb
I
c
(mA)
β/α
BC155 175 400 175 40 40 3 20 20/70
Ω====>===
−
K
I
U
RmA
I
I
bT
CCCT

bT
15
10.1
15
1
20
20
3
3
3
3
3
β
Chọn R
0
= R
3
= 15KΩ
III.2.2) Mạch so sánh :

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
21
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Chọn R
5
, R
6
có giá trị là 10KΩ.
Chọn khuếch đại thuật toán

OA1+
là loại TL084M, có các thông số sau:
Loại U
cc
/V I
cc
/mA U
ICR
/V I
IB
/pA
R
V
/Ω
TL084M
±15V
2,5 -12÷15V 200 10
12
Chọn Diốt ổn áp D
z
loại KC156A có thông số :
Loại U
Z
(V) P
max
(mW)
R
đ
(Ω)
I

max
(mA)
KC156A 5,6 300 46 55
Chọn R
hc
: R
hc
= 15/55.10
-3
=0,27.10
3
=270Ω
III.2.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại :
Với yêu cầu của IGBT GA200SA60U cần điện áp điều khiển U
ge
= 20V, I
ge
=
1000µA Vậy :
Chọn nguồn U
cc1
= 25V.
Chọn R
1.9
= R
2.9
=
Ω=Ω=
−
−

K5
10.1000
2025
6
=>
mAI
CT
5
10.5
25
3
5
==
Chọn TransistorT1.5, T2.5 là loại N-P-N có I
C
> 5mA, có U
ce
>U
cc1
= 25V là loại
Transistor Optocuplers IS 357 có các thông số sau :
Operating Temperature : -30
o
- 100
o
C
Input to Output Voltage : 3750VDC
Input Diote :
• Forward DC current : 50mA
• Peak forward curenr : 1.0A

• Revers voltage : 6V
• Power dissipation : 70mW
Output transistor :
• Collector- Emitter voltage : 60V
• Emitter- Collector voltage : 5V
• Collector current : 50mA
• Collector power dissipation : 150mW
Chọn R
1.8
=R
2.8
=
3
10.50
5
−
= 100Ω
Chọn transistor T1.4 và T2.4là loại N-P-N có I
c
>50mA, U
ce
>5V, ta chọn :

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
22
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

Loại P(mW) F(Mhz) V
cbo
(V) V

ceo
(V) V
ebo
(V) I
c
(A) Hệ số KĐ
2N852 300 280 20 12 5 200 20

I
BT4
=
mA
I
CT
10
20
200
4
==
β
Chọn R
1.7
= R
2.7
=
3
10.10
5
−
= 500Ω.

Chọn vi mạch AND1, AND2.1. AND2.2 là loại SN74AHC08 có thông số:
Supply voltage range, VCC . . . . . . . . . . . . . . . −0.5 V to 7 V
Input voltage range, VI (see Note 1) . . . . . . . . . . . . . . −0.5 V to 7 V
Output voltage range, VO (see Note 1) . . . . . . . −0.5 V to VCC + 0.5 V
Input clamp current, IIK (VI < 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −20mA
Output clamp current, IOK (VO < 0 or VO > VCC) . . . . . . . . . . . .±20mA
Continuous output current, IO (VO = 0 to VCC) . . . . . . . . . . . . . . . ±20mA
Continuous current through VCC or GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±5mA
Chọn vi mạch NAND1, NAND2.1, NAND2.2 là loại SN74AHC00 có thông số :
Supply voltage range, VCC . . . . . . . . . . . . . . . . −0.5 V to 7 V
Input voltage range, VI (see Note 1) . . . . . . . . . . . −0.5 V to 7 V
Output voltage range, VO (see Note 1) . . −0.5 V to VCC + 0.5 V
Input clamp current, IIK (VI < 0) . . . . . −20 mA
Output clamp current, IOK (VO < 0 or VO > VCC) . ±20 mA
Continuous output current, IO (VO = 0 to VCC) . ± 25 mA
Continuous current through VCC or GND ……………………. ±50 mA
Thời gian trễ t
tr
= 0,693R
20
C
5.1
thời gian khóa IGBT là rất nhỏ IGBT có thể đóng mở
với tần số trên 500kHz chỉ cần chọn R
20
=100Ω,C
3
=0,1μF là có đủ thời gian trễ cần
thiết
III.2.4) Mạch phản hồi:

Chọn R
10
= R
11
= R
12
= R
13
= 10KΩ
Chọn R
14
= R
15
= R
16
= R
17
= 10 KΩ
Chọn KĐTT OA
2
,KĐTT OA
3
giống KĐTT OA
1
loại TL084M,có thông số như trên.
BẢNG SỐ LIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐƯƠC DÙNG TRONG SƠ ĐỒ
KÝ HIỆU LOẠI THIẾT BỊ THÔNG SỐ
V1,V2 IGBT GA200SA60U I
c max
=200A ; U

ce
=600V ;

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
23
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

U
ce(sat)
=1,9V
D1, D2 B3-200 I
đm
=320A ; U
ng
=600-3600V
T2, T3, T1.4, T1.5,
T2.4, T2.5
N-P-N BC155
U
ce
=40V; I
c
=20mA; β=20; f=400MHz
OA1, OA2, OA3 TL084
U
cc
=±15V ; I
cc
=2,8mA ;
U

I
=-12÷15V ; I
I
=200pA ; R
v
=10
12
Ω
IC555 NA555
U
cc
=4,5÷16V ;I
o
=±200mA
AND1, AND2.1,
AND2.2
SN74AHC08
U
cc
=-0,5÷7V ;I
cc
=±50mA
U
O
=-0,5÷0,5V ;I
O
=±25mA
U
IN
=-0,5÷7V

NAND1, NAND2.1,
NAND2.2
SN74AHC00
U
cc
=-0,5÷7V ;I
cc
=±50mA
U
O
=-0,5÷0,5V ;I
O
=±25mA
U
IN
=-0,5÷7V
D
Z
KC 156A U
z
=5,6V ;I
max
=55mA ;
P
max
=300mW
C1, C2, C3 C1, C2, C3
0,1µF
R0, R3 Điện trở
15Ω

R1 «
26,55KΩ
R2 «
1,15KΩ
R4 «
27,7KΩ
R2 «
28KΩ
R3 «
16KΩ
R4 «
800KΩ
R5, R6 «
10KΩ
R1.7, R2.7 «
500Ω
R1.8, R2.8 «
100Ω
R1.9, R2.9 «
5KΩ
R10÷R17 «
10KΩ
R20 «
100Ω
Tài liệu tham khảo

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
24
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều

1. Điện tử công suất Nguyễn Bính – nxb KHKT
2. Điện tử công suất TS. Võ Minh Chính - NXB KHKT
Phạm Quốc Hải
Trần Trọng Minh
3. Phân tích và giải mạch điện tử công suất Phạm Quốc Hải
Dương Văn Nghi
4. Bài giảng điện tử công suất của thầy Võ Minh Chính
5. Truyền Động Điện Bùi Quốc Khánh
Nguyễn Văn Liễn
Nguyễn Thị Hiền

Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
25