Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ ngồi thỏa mãn chất lượng tĩnh cho trước

+V
15V
+
TL084
+V
-15V
R10
.5k
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
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 MÔN HỌC
Nhóm sinh viên thực hiện:
Lớp
Ngành đào tạo : Kỹ thuật Điện
1/ Tên đề tài : “ Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động
cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ
ngồi thỏa mãn chất lượng tĩnh cho trước:
+ Dải điều chỉnh tốc độ D = 30/1
+ Sai lệch tĩnhS
t

≤ 3% ”
2/ Số liệu cho trước:
- Thông số động cơ một chiều P
đm
=1kw, U
đm
= 48V, R
ư
= 0,2Ω; L
ư
= 0,1mH;
η=85%; n
đm
= 1000vòng/phút.
3/ Nội dung cần hoàn thành:
1. Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống
2. Thiết kế hệ thống :
-Thiết kế mạch lực
-Thiết kế mạch điều khiển
3. Phân tích chất lượng tĩnh và hiệu chỉnh hệ thống.
4. Đánh giá hệ thống.
4/ Thời gian thực hiện:
- Ngày giao đề : 10 tháng 4 năm 2006
- Ngày hoàn thành: 03 tháng 6 năm 2006
Giáo viên hướng dẫn
Ths Nguyễn Phương Thảo
Ngày …tháng… năm 2006
Thông qua bộ môn
1
1

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………
Giáo viên hướng dẫn:
2
2
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn

học.
Mục Lục

Trang
Lời nói đầu
5
Chương I : Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống 6
1. Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. 6
2. Động cơ Hybrid
7
3. Ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô điện
10
Chương II: Tổng quan về động cơ điện một chiều.
11
1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.
11
2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
13
Chương III: Thiết kế hệ thống.
15
I.Thiết kế mạch động lực.
15
1.Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều.
15
3
3
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
2.Bộ băm xung áp một chiều.

17
3.Một số sơ đồ băm xung áp.
3.1.Sơ đồ băm xung áp loại B
21
3.2.Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều
27
4.Thiết kế mạch lực.
35
4.1.Chọn van mạch lực
35
4.2. Thiết kế mạch trợ giúp
37
II.Thiết kế mạch điều khiển.
38
1.Mạch tạo dao động
38
2.Mạch tạo xung răng cưa
39
3.Khâu khuếch đại
40
4.Khâu so sánh
41
5.Mạch phản hồi âm tốc độ và âm dòng có ngắt
42
4
4
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
6. Một số mạch phụ trợ khác

43
7.Sơ đồ khối kết nối mạch điều khiển
44

Chương IV: Phân tích chất lượng tĩnh của hệ thống.
46
1. Chế độ tĩnh.
46
2. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ thống. 48
3. Kiểm tra chất lượng tĩnh của hệ thống.
57
Lời kết 58
Tài liệu tham khảo 59
5
5
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
Lời nói đầu
Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày càng
có nhiều thiết bị bán dẫn công 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 ô nhiễm môi trường… Từ đó đòi 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 thông. 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 ôtô điện. Vì bộ băm xung áp cho động cơ ôtô 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 không
thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cô đóng góp ý kiến để đồ
án được hoàn thiện hơn.
Cấu trúc và nội dung chính của đề tài :
Chương1: Phân tích yêu cầu của hệ thống(mô tả khái quát nguyên 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)
Chương3: Thiết kế hệ thống......
Chương4: Phân tích chất lượng hệ thống ở chế độ tĩnh
6
6
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
CHƯƠNG1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG
1. Vai trò 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 thông. 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.
Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển
động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt
chất 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 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
7
7
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
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 môi 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 còn 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 ô nhiễm môi 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 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 ô tô.
8
8
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
- Ắc quy (pin): Làm nhiệm vụ tích trữ điện năng và cung cấp điện năng
cho động cơ điện làm việc.
Hình 1.1. Mô hình động cơ Hybrid
 Nguyên 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)
1. ắc quy
2. bộ đổi điện

3. môtơ điện
4. bộ truyền lực
5. động cơ xăng
Hình 1.2. Nguyên lý của hệ thống song song
9
9
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
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
dòng năng lượng tới các bánh đi song song. Hệ thống này chỉ có một motor điện
do vậy không 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 trò của motor điện.

Nhận xét: Hệ thống trên có nhược điểm là động cơ điện đóng vai trò vừa là máy
phát nạp điện cho ăcquy vừa truyền lực tới trục bánh xe, vì vậy mà motor điện
không truyền lực cho bánh xe được liên tục nên động cơ xăng vẫn giữ vai trò chính
do đó tiêu tốn nhiều nhiên liệu (hình vẽ).
1. ắc quy
2. bộ đổi điện
3. môtơ điện
4. máy phát điện
5. động cơ xăng
Hình 1.2. Nguyên lý của hệ thống liên hoàn
Từ nhận xét ta thấy hệ thống liên hoàn đã khắc phục được những nhược
điểm đó.
Hệ thống liên hoàn(series hybrid system)
10

10
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát
điện. Dòng 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 hoàn vì năng lượng truyền theo
một quá trình liên tục. Một hệ thống Hybrid liên hoàn gồm có hai môto, một chính
là môtơ điện và một là máy phát điện có 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 không 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.
Hình 1.3. Sơ đồ truyền động của động cơ Hybrid kiểu liên hoàn
- Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải
nên giảm được ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt
động tối ưu phù hợp với các loại ôtô, sơ đồ này có thể không cần hộp số.
- Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và môtơ điện trong hệ thống trên là.
vì hệ thống liên hoàn sử dụng động cơ để sinh ra điện cho mô-tơ vận hành bánh xe,
chúng có cùng lượng công 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:
11
11
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.

+ 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 không cố định.
Ngoài ra, truyền động xe hơi 4 chỗ còn đòi hỏi cao về độ an toàn 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 ôtô. Vì thực tế trong lĩnh
vực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú
trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ.
*) 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.
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)
12
12
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
M
K
RR
K
U

fu
u
.
)(
2
Φ
+
−
Φ
=
ω
ω
ω
0
M
M
đm
Hình 2.1. Đường đặc tính cơ của dộng cơ điện kích từ song song
Với những điều kiện U=const, I
t
=const thì từ thông của động cơ hầu như không
đổi. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường
thẳng.
Do R
ư
rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho
nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc điểm 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.

Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần
ứng : I
t
= I
ư
=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:
Φ=K
Φ
.I
trong đó hệ số tỷ lệ K
Φ
chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I
đm
; còn khi I >(0,8 ÷
0,9)I
đm
thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ.
Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:
M=C
M
.Φ.I
ư
=C
M
.
Φ
Φ
K
2
⇒

Φ
Φ
−=
KC
R
MKCe
UC
n
e
u
M
.
..
.
nếu bỏ qua R
ư
thì:
M
U
n =
hay: M=
2
2
n
U
13
13
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.

Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai.
ω
*
M
*
M
đm
Hình 2.2 Đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp
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 thiều P
2
=(0,2 ÷ 0,25)P
đm
. Từ dạng đặc tính cơ ta
cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm ⇒ động cơ
nối tiếp rất 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 chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không 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 thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm
hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng
của từ thông không mạnh 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 nguyên 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
14
14
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
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 thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.
+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy
cho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề.
+ Vì từ thông 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 thông có đường dây cung cấp điện
đi kèm theo tải.
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 thông 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 U
ư
.
 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đổi từ thông Φ.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi φ có thể thay đổi được liên
tục và giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc
tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do
bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa
15
15
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
(Φ=Φ
đm
=Φ
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 không 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 không 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.
+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U
ư
⇒ mômen ngắn mạch
M
nm
giảm, dòng ngắn mạch I
nm
giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như
nhau.
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh.
Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi 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.
16
16
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.

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 ôtô có công
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.
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 công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là
phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ
bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi 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.
Tải
Chỉnh lưu không điều khiển
L
2
•
•
17
17
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
•
•
K
D
C
2
Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều
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.
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mở
liên 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 U
tb
có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp U
tb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0 <U
tb
<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E <U
tb
<0.
Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực
tế là không đổi, mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K. Trong khi
đó, các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết

định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi. Để tránh các sóng không mong
muốn và từ đấy tránh được momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào
18
18
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
đó. Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưng
nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến. Vì vậy, phải cân nhắc để lựa chọn được bộ
biến đổi làm việc ở 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 (công 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 công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz, có giá thành rẻ hơn,
tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,
nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor. Vì vậy, ở
những môi 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 không rõ
ràng.
Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các
linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều
chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm
tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao 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 U
S
một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới
nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở phần này ta đi chi tiết giới thiệu
19
19
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm
xung áp thực tế.
BBĐ một chiều
U
S
U
ra
U
ra
t
t
1
t
2
T
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và dạng xung ra của BBĐ.
Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức
khác nhau.

U
ra
là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t
1
và độ nghỉ t
2
. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này
là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn
thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở
trạng thái mở rất nhỏ.
Phương pháp điều chỉnh điện áp ra
Có hai phương pháp:
20
20
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
 Thay đổi độ rộng xung (t
1
).
 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 t
1
, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình
của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
S
S
tai

U
T
Ut
U .
.
1
ε
==
trong đó đặt:
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 U
ra
là rộng (0 < ε ≤ 1).
2.2. Phương pháp thay đổi tần số xung
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.
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
D1
21
21
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.

U
S
U
ra
C
l
ọ
c
Tải
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của khoá mắc nối tiếp
K
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 U
ra
để thoát
dòng tải khi khoá K ngắt.
+ K đóng ⇒ U
S
được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì U
tải
= U
S
(nếu bỏ
qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ K mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng I
tải
do năng lượng
tích luỹ trong cuộn L và L
tải

, dòng chạy qua D, do đó U
ra
=U
tải
’ =0.
Như vậy, U
tải tb
≤ U
S
. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
α
==
S
tai
I
U
U
W
b. Biến đổi tăng áp:
L1
22
22
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
U
S
U
ra

C
l
ọ
c
Tải
K
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K song song
Sơ đồ như sau:
Đặc điểm: L
1
nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L
1
không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ K đóng, dòng điện từ +U
S
qua L
1
→ K → -U
S
. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C
(đã được tích điện trước đó).
+ K ngắt, dòng điện chạy từ +U
S
qua L
1
→ D → Tải. Vì từ thông trong L
1
không giảm tức thời về không do đó trong L
1

xuất hiện suất điện động tự cảm e
L
dt
d
w
Φ
=
, có cùng cực tính U
S
. Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
→ làm D thông →
U
tải
=U
S
+e
L
. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U
S
ở chế độ liên tục
và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
ε
−
==
1

1
S
tai
I
U
U
W
23
23
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
c. Biến đổi đảo cực:
L1
U
S
U
ra
C
l
ọ
c
Tải
K
D
Sơ đồ mắc như sau:
L
1
chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng.
C đóng vai trò lọc.

+ K đóng, trên L
1
có U
S
, dòng chạy từ +U
S
→ K → L
1
→ -U
S
. Năng lượng
tích luỹ trong cuộn cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
tải
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ K ngắt, cuộn cảm L
1
sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng
⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; U
tải
sẽ ngược chiều
với U
S
.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U
S
. Giá trị tuyệt đối |U

tải
| có thể lớn hơn
hay nhỏ hơn U
S
.
d. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:
Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn
U
S
.
24
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khi khoá K
mắc nối tiếp nhưng có đảo cực
24
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử đồ án môn
học.
Để giảm độ gợn sóng của I
tải
và U
tải
, các khoá K
1
, K
2
, K
3
, … làm việc lệch pha
nhau một góc 2π/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện I
tải

/n ; tần số làm việc
f=f
Σ
/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 U
tải
cao hơn điện áp nguồn cung cấp U
S
, song chúng chỉ thích hợp với dải
công suất nhỏ nên ít thông dụng.
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.
 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.
L1
•
•
•
•
•
•
•
R

E
D
2
D
1
25
25