Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Lời nói đầu
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 được trong phần lớn các ngành công nghiệp
và đời sống sinh hoạtcủa con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền
đề nhưng cũng là mũi nhọnquyết định sự thành công của cả một hệ thống
sản xuất công nghiệp. Không mộtquốc gia nào, một nền sản xuất nào
không sử dụng điện và máy điện.Do tính ưu 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 được sử dụng rộng rãi và phổ
biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như
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 (như 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
nhưng do những ưu 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 haymáy phát điện trong những điều
kiệnlàm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhấtcủa động cơ điện
1
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
mộtchiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bảnthân động
cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như 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 đồng thời lại
đạt chất lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng

75% ÷85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷
94% .Công suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng
100000kw điện áp vào khoảngvài trăm cho đến 1000v. Hướng 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 trongphạm 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 theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong
những phương pháp được 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 phương pháp đối xứng .Đây là một phương pháp mang lại hiệu
quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc
điểm nổi bật
2
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều
Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng
(phần quay).
* Phần cảm (stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ
vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng
điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính
liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông.
Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi
than.
Hình 1.1 Cực từ chính
* Phần ứng (rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.

3
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1
chiều
1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5
mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và
rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong
các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của
dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với
hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt
trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến
đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với
nhau và cách điện với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,
trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang
dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo
4
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được
xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một
chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng,
giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng
theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện
một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế
tạo quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên
nhãn máy gọi là những đại lượng định mức.
1. Công suất định mức P
đm
(kW hay W).
2. Điện áp định mức U
đm
(V).
3. Dòng điện định mức I
đm
(A).
4. Tốc độ định mức n
đm
(vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
5
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với
máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với
động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ.
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ
độc lập
Về phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu
việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều
chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc
độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện

một chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :
• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho
mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp
thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:
• Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều
hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
• Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
• Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)
6
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
• Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền
động như:
• Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)
• Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)
• Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)
• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động
điều chỉnh tự động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều
khiển hở). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp,
nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ
truyền động hở. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và
không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm,
đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần

tư và bốn góc phần tư.
• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển
vv Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay
7
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu
điều khiển Uđk.
§BB§
L k
U
®k
R
b
R
u®
I
E
u
E
b
(U
dk
) U
Hình II-1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.
Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi
này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.
ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống
như sau:

Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIư
u
dm
udb
dm
b
I
K
RR
K
E
Φ
+
−
Φ
=
ω
(II-2-1)
β
ωω
M
U
dk
−= )(
0
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ
cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị
điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều
chỉnh này là triệt để.
8

Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng
định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất
của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mô men
khởi động. Khi mô men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ
nhất của tốc độ là:
β
ωω
dm
M
−=
max0max
(II-2-2)
β
ωω
dm
M
−=
min0min
Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều
chỉnh phải có mô men ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KM.Mdm
Trong đó KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các
đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ
ta có thể viết:
)1(
1
)(
minmin

−=−=
M
dm
dmnm
K
M
MM
ββ
ω
1
1
.
)1(
max0
max0
−
−
=
−
−
=
M
dm
dm
M
dm
K
M
M
K

M
D
βω
β
β
ω
(II-2-3)
9
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
W
o max
W
max
W
min
W
o min
W
®k1
W
®k1
M
nm min
M
®m
0
M,I
W
Hình II-2. Xác định phạm vi điều chỉnh
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định,

vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ
cứng ? Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn
điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở
phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:
10/
max
≤
dmo
M
βω
Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều
chỉnh tốc độ cững không vượt quá 10. Đói với các máy có yêu cầu cao về
dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng
các hệ thống “hở” như trên là không thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của
truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện
áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như
nhau, do đó độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất
10
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác , nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của
dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì
hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong
toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp
nhất là:
minmin
minmin
oo
o
s

ω
ω
ω
ωω
∆
=
−
=
cp
o
dm
s
M
s ≤=
min
ωβ
(II-2-4)
Vì các giá trị Mdm, ωmin, Scp la xác định nên có thể tính được giá trị
tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị
cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các
hệ thống truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích
từ được giữ nguyên, do đó mô men tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:
Mc.cp=Kφđm.Iđm=Mđm.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men nằm trong hình chữ nhật bao bởi
các đường thẳng ω = ωđm , M = Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng
lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao
không đổi trong hệ.
E = Eư + Iư(Rb + Rưđ)
IưEb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rưđ)

11
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng
bằng mô men tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ của
phụ tải là Mc* = (?* )x thì
( )
1
***
*
−
+
=
x
u
R
ωω
ω
η
(II-2-5)
ω
ω
ω
ω
®m
ω
Μ
η
u
1
1

x
=
0
x
=
-
1
Μ
®m
Hình II-3 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải
khác nhau
Hình II-3 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các
trường hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi
điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường hợp mô men tải là hằng số
trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở
phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ.
• Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô
men điện từ của động cơ M = KφIư và sức điện động quay của động cơ
12
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Eư = Kφω. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều
chỉnh từ thôngcũng là hệ phi tuyến:
dt
d
rr
e
i
k
kb

k
k
Φ
+
+
=
ω
(II-3-1)
trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,
rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
φ = f [ik]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh
từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định
mức và được gọi là đạc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của
động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả
năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ
quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng
bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần
phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên
trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng
thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:
( )
u
R
K
2
Φ

=
Φ
β
hay
( )
2
**
φβ
φ
=
13
Thit k v mụ phng mch iu khin tc ng c mt chiu
U
đk

r
bk
L
k
i
k
r
k

k
I
E


max

đm

Đặc tính cơ bản
0
b
,
a,
L
k
(U
đk

)
i
k

k

0
c,
Hỡnh II-4 S thay th (a) c tớnh iu chnh khi iu chnh t
thụng ng c (b) Quan h ?(ikt),(c)
Do iu chnh tc bng cỏch gim t thụng nờn i vi cỏc ng c
m t thụng nh mc nm ch tip giỏp gia vựng tuyn tớnh v vựng
bo ho ca c tớnh t hoỏ thỡ cú th coi vic iu chnh l tuyn tớnh v
hng s C ph thuc vo thụng s kt cu ca mỏy in:
Kt lun
Phng phỏp iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng cú nhiu
hn ch

so vi phng phỏp iu chnh in ỏp phn ng phng phỏp thay i
t thụng b
14
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của
cổ góp
điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm
hơn như sau :
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt
để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn
hao công suất điều 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 như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi
phải
có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò
và ưu đIểm
của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
15
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP
2.1. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp giảm áp
Sơ đồ nguyên lý :
Nguyên lý hoạt động :
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có

tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với
Ud để thoát dòng tải khi ngắt khóa K.
+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong
các van và các phần tử thì Ud=U
+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng
lượng tích lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D,
do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
16
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
* Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý :
Đặc điểm:
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không
tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có
UC (đã
được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L
không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm
có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ
biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên
tục
và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
17
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Sơ đồ nguyên lý:

Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1
chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động :
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng
tích
luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường
hợp đóng
⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ
ngược chiều
với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn
hơn
hay nhỏ hơn U nguồn.
* Bộ băm xung một chiều có đảo chiều
18
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM 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 trngruyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do
đó bộ biến đổi này tthường 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 lượng phản kháng về nguồn và thực hiện
quá trình hãm tái sinh.
Có các phhương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,
điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng
* Lựa chọn bộ biến đổi
- Lựa chọn mạch lực

19
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ
(một
cách chủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều (cầu
BXDC), mạch này cho phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo
chiều một cách độc lập. Hơn nữa mạch này rất thông dụng (dùng trong
DC-DC, DC-AC converter) do đó việc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng
hơn.
- Lựa chọn van bán dẫn
Chọn van IGBT bởi :
+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và
khả
năng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì
làm cho động cơ chạy êm hơn.
+ Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể
thiết
kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ,
hơn nữa nó cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển).
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế
transistor
BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn
giản hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều
khiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc
20
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn
giản, gọn nhẹ.
2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn

mặc dù
điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra
của chỉnh
lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế
trung bình
đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:
- Thay đổi độ rộng xung.
- Thay đổi tần số băm xung.
* 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:
21
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
1
.
.
d
t U
U U
T
γ
= =
Trong đó đặt :
1
t
T
γ
=
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).
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:
1
1
.
. .
d
t U
U t f U
T
= =
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.
Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM
(Pulse Width Modulation).Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là
hằng số.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh
một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác
(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho
van,tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 400Hz đến
22
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
200kHz.Khi U
ctl
>U
st
thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa
van.
• Phương pháp điều khiển bộ băm xung có đảo chiều

Nguyên tắc điều khiển
Theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập
thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt
đồng thời.
Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển
với
điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác):
-Nếu Udk>utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt.
-Nếu Udk<utua thì S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn.
Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải
23
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chế độ hoạt động:
+Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động
cơ
24
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax.
+Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng
do tải
có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về
nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá,
dòng
id giảm từ Imax về 0.
+Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –
U,
dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương).
+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn,
nhưng do
trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy

theo
chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt
điện
áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id
giảm
theo chiều ngược lại từ Imin về 0.
25