Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Mục lục
Đề bài 1
Lời nói đầu 2
Chương I
Giới thiệu về động cơ điện một chiều
I.1 Đặt vấn đề
I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
I.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập
I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều.
I.3.1 Các góc phần tư làm việc
I.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập
I.3.3 Vấn dề phụ tải
4

Chương II
Mạch băm xung
II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC)
II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung
II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung
II.1.3 Nhn xét
II.2 Các s bm xung
II.2.1 S gim áp (Step-down (Buck))
II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))
II.2.3 S bm o cc (Step-down/up (buck-boost))
II.2.4 B o dòng
II.2.5 B o áp
II.2.6 B Chopper lp E
1. S nguyên lý
2. Các phng pháp iu khin
II.3 Kt lun

II.3.1 Chn mch lc
II.3.2 Chn phng pháp iu khin
II.3.3 Chn van bán dn
16
Chương
III
Thiết kế mạch lực
III.1. Tính toán chn van
III.1.1 Chn Diode cụng sut
III.1.2 Chn các van bán dn
39
Chương
IV
Thiết kế mạch điều khiển
IV.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
IV.2. Nguyên lý của mạch điều khiển

50
Chương
V
Mô phỏng trên máy tính


2
Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối
xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với
số liệu cho trước:

Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc HuyÒn

Nhãm ®å ¸n §TCS 5 – Líp T§H2 K48

Lêi nãi ®Çu


Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ
động cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất
không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn
công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em
đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh
vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm
xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu
cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng , chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ
về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật,
yêu cầu kinh tế . Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế
kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ
thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch.

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi
và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và
đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em
Phương

án
Điện áp
lưới (VAC)

Dòng điện định
mức
Điện áp phần
ứng
Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
1 110 20 120 10:1
2 220 8 220 15:1
3 380 15 100 20:1
4 127 V 6 A 400 V 25:1
5 300 10 600 15:1

3
khụng th trỏnh khi nhng sai sút, chỳng em mong nhn c s phờ bỡnh gúp
ý ca cỏc thy giỳp chỳng em hiu rừ hn cỏc vn trong ỏn cng nh
nhng ng dng thc t ca nú bn ỏn ca chỳng em c hon thin hn
.V chỳng em hi vng trong mt tng lai khụng xa, chỳng em cú th ỏp dng
nhng kin thc v hiu bit thu c t chớnh ỏn u tiờn trong cuc i
sinh viờn ca chỳng em vo thc t cng nh s phỏt trin hn nú trong cỏc
ỏn sau ny.
Trong quỏ trỡnh lm ỏn chỳng em ó nhn c s giỳp v ch bo
rt tn tỡnh ca thy giỏo Dương Văn Nghi .Chỳng em xin chõn thnh cm n
thy v hi vng thy s giỳp chỳng em nhiu hn na trong vic hc tp ca
chỳng em sau ny.
Nhúm sinh viờn thc hin.

Chương I
Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan
trọng , không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống
sinh hoạt của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là
mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp.
Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy
điện.
Do tính 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

4
điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện
đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất
của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như
bản thân 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 suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp
vào khoảng vài 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 trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà
chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có
đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập 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 của nó
mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này.

I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều

người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi
cách ta có các loại động cơ điện loại:
- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện
phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = I
ư
.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện
áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = I
u
+I
t

- Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích
từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I
ư
=I
t
.
- Kích thích hỗn hợp ta có: I = I
u
+I
t

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật
điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu
tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và
biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này.
I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
+Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n)
và mômen (M) của động cơ có dạng chung

5

M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2







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

Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với
mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của
động cơ
Người ta đưa thêm đại lượng





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

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











Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta
đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen
(hoặc dòng điện) của động cơ.

+Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức
(điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở
vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá
trị M
đm
,
đm
.
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn
hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc
tính cơ: / (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).

a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:




M
Mnm
Mt

t
0

6

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện

kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
ufuuu
IRREU )(

+U
ư
: điện áp phần ứng.
+E
ư
: sức điện động phần ứng.
+R
ư
: điện trở mạch phần ứng : R
ư
=r
ư
+r
cf
+r
b
+r
ct

+r
ư
: điện trở cuộn dây phần ứng.
+r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ.

+r
i
: điện trở cuộn bù.
+r
ct
: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
+E
ư
được xác định theo biểu thức sau:




a
pN
Eu
2

+ p: số đôi cực từ chính.
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
+

: từ thông kích từ dưới một cực từ.

+: tốc độ góc.

a
pN
K

2


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

nKE
eu



55,9/60/2 nn


Vì vậy

n
a
pN
E
u

60

7

K
K
K
e
105,0
55,9


Suy ra

u
fu
u
I
K
RR
K
U






Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định
udt
IKM ..

Suy ra

KMI
dtu
/

Thay vào (*) ta được

dt
fu
u
M
K
RR
K
U
2
)(






Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng
mômen điện từ bằng M.
Ta có

M

K
RR
K
U
fu
u
2
)(






Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập. Đồ thị hình vẽ:











Nhận xét :
+ I
ư

=0 hoặc M=O ta có

0




fu
u
RR
U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ = 0 thì
fu
u
RR
U
I


: Dòng điện ngắn mạch.
nmnm
MIKM ..
: Mômen ngắn mạch.

M
Mnm
Mt

t
0

8







0
K
RI
K
U
u

0
2
)(
M
K
RR
K
U
fu
u


M
K
R
I
K
R
K
U
RRR
u
u
fu
2
0
)(

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

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

máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức
năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E
b
điều chỉnh nhờ
tín hiệu điều khiển Uđk.


9

Ta có phương trình



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

)(
)(
0

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi.
Tốc độ không tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị U
đk
của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do
đó mới nói phương pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó
có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính
ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều
khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.
+Với một cơ cấu máy cụ thể có
dmM
MK ,,
max0

xác định vì vậy phạm vi điều

chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng




dm
dm
M
M


min0min
max0max


dmMcnm
MKMM
maxmin

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

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

1
1
/)1(
)1(
1
)(
max0
max0
minmin







M
dm
dmM
dm
M
dm
dmnm
K
M
MK
M
D
K
M

MM








10
Với
dmM
MK ,,
max0

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

10/
max0

dm
M

.
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài
ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp

M
t
=const trong toàn dải điều chỉnh.
b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ
Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển
mômen điện từ của động cơ điện
u
IKM ..
. Do mạch kích từ của động cơ điện
một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

Từ sơ đồ trên ta được

dt
d
rr
e
i
k
kb
k
u







r

k
: điện trở dây quấn phần ứng.
r
b
: điện trở nguồn đIện áp kích thích.
k

: số vòng dây cuộn kích từ.
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng U
đm
do đó các đặc
tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp
phần ứng định mức, từ thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc
tính cơ tự nhiên).
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 dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện
chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết
quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì
momen cơ cũng giảm đi rất nhanh.
b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phương trình đặc tính (*)

11

u
fu
u
I
K
RR

K
U





(*)
Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này . Vì phương pháp này
chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn
kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ
điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và
thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.

c) Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn
chế so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ
thông bị 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 ding phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù
khiển nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh
xác định là 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.
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.
1.3.1 Các góc phần tư làm việc

















II:Hãm II: Động cơ
II: Hãm
II:Động cơ
P
c
=M
d
<0
P
c

=M
d
>0

P
c
=M
d
>0

P
c
=M
d
<0



M
M
c
M
c

M
c
M
c

12

Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần
tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ.
+ I, III: trạng thái động cơ (


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

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


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

P (

P: tổn hao công suất)

1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
a) Khởi động
Xuất phát từ phương trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u
fu
u
I
K
RR
K
U





(*)
Khi khởi động nên
R
U
I
dm
nm

.ở động cơ công suất trung bình và lớn thì R
ư

thường có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương
đối lớn

dmnm
II 5,22

Với giá trị dòng lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng
của động cơ cũng như sụt áp trên lưới đIện.tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối
với những hệ thống cần khởi động (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương
tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động.
Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu

dmnm
II 5,22

Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần
ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động còn
hạn chế được điện áp khởi đông. Do điều khiển là làm giảm áp.
b) Chế độ hãm.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ
quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, và
hãm động năng.
b.1) Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi đó U
ư
> E
ư
. Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So
với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu
thức

0
0

R
KK
R
EU
I
uu
h



hh
IKM ..
. Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụ
tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ
00


d
. Vì sơ đồ đấu dây của mạch

13
động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá
trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình 2-14 ttđ)
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới
điện có giá trị P = (E-U) I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh

năng lượng hữu ích.
Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn
theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cư làm trong góc phần tư thứ nhất.
Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu
mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển
động của động cơ xh trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới
0


od

b.2) Hãm ngược
Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ
phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của
động cơ, mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản
xuất.
b.2.1) Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải)
Đặc tính hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, Động cơ
làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới
điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn
thất lớn.
b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng
Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn

fu
uu
h
RR
EU
I

Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép:

dmnm
II 5,22

c) Hãm động năng
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học
của động cơ được tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành
điện năng tiêu tán dưới dạng nhiệt
c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở
hãm

hu
hd
hu
u
hd
RR
K
RR
E
I

0
hdh
IKM

Chứng tỏ I
hd
và M
hd
ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ yếu được
tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
c.2) Hãm động năng tự kích
Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp
hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra

14
khỏi lưới điện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình
hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là
hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích
thích và phi tuyến.so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả
kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu
việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ
năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể cả khi mất điện.

1.3.3 Vấn dề phụ tải
Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển
động cơ điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp
và tính toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của
mômen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là
+ Không đổi: thang máy... (1)
+ Tăng: như trong quạt gió, bơm...
+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy
cắt gọt kim loại...

Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ
phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi.
Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải
điều chỉnh.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù
hợp. giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó
ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.




1
2
3
4

15

Chng II
BM XUNG MT CHIU (BXDC)

II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC):
BXDC cú chc nng bin i in ỏp mt chiu, nú cú u im l cú th
thay i in ỏp trong mt phm vi rng m hiu sut ca b bin i cao vỡ tn
tht ca b bin i ch yu trờn cỏc phn t úng ct rt nh.
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát
một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có
điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:
điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu
quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với
sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn
đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều
khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt
thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ.
in th trung bỡnh u ra s c iu khin theo mc mong mun mc
dự in th u vo cú th l hng s (c qui, pin) hoc bin thiờn (u ra ca
chnh lu), ti cú th thay i.Vi mt giỏ tr in th vo cho trc, in th
trung bỡnh u ra cú th iu khin theo hai cỏch:
- Thay i rng xung.
- Thay i tn s bm xung.

II.1.1 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:
ontrolC
U

t

t
1
t
2
T


16
1
d
t .U
U .U
T


Trong đó đặt:

1
t
T


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 < 1).
II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t
1
= const. Khi đó:
1
d 1
t
U .U t .f.U
T


Vậy U
d
= U .
T
f
1
1


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.1.3 Nhn xột
õy ta chn cỏch thay i rng xung, phg phỏp ny gi l PWM
(Pulse Width Modulation).Theo phng phỏp ny tõn s bm xung s l hng
s.Vic iu khin trng thỏi úng m ca van da vo viờc so sỏnh mt in ỏp
iu khin vi mt súng tun hon (thng l dng tam giỏc(Sawtooth)) cú biờn

nh khụng i.Nú s thit lp tn s úng ct cho van,tn s úng ct ny l
khụng i vi di tn t 400Hz n 200kHz.Khi

Control st
u u
thỡ cho tớn hiu iu
khin m van, ngc li khúa van.

II.2 Cỏc s bm xung:
on
off
on
t

off
t

U
ra

17
Sơ đồ nguyên lý như sau:



Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bỏn dn iu khin).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S, 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
d
để

thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
+ S đóng U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì u
d
= U (nếu bỏ
qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ S mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i
d
do năng lượng
tích luỹ trong cuộn L và L
tải
, dòng chạy qua D, do đó u
d
=0.
Như vậy, U
d
U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
d
I
U
W
U


Sơ đồ như sau:

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.

18
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L S -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C

(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
e
L
dt
d
w


, có cùng cực tính U. Do đó tổng điện áp: u
d
=U + e
L
. 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.
Đặc tính truyền đạt:
d
I
U
1
W
U 1

a. Sơ đồ mắc như sau:




Ti l ng c mmt chiu c thay bi mch tng ng R-L-E. L
1
chỉ
đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc
b. Hot ng
+ S đóng, trên L
1
có U, dòng chạy từ +U S L
1
-U. Năng lượng tích
luỹ trong cuộn cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
d
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L
1
sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp
đóng D thông năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; u
d

sẽ
ngược chiều với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |U
d
| có thể lớn
hơn hay nhỏ hơn U ngun

II.2.4 B Chopper lp C (B o dũng)

19
a) Sơ đồ nguyên lý


Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương
đương R-L-E
b) Nguyên lý hoạt động.
 Chế độ động cơ:
Trong khoảng
0 t T  
, động cơ được nối nguồn qua
1
S
,điện áp đặt lên
động cơ là U.
Trong khoảng
T t T  
,
1
S
ngắt,động cơ được nối ngắn mạch qua

2
D
,điện áp đặt lên động cơ là 0.
 Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng
0 t T  
,
2
S
ngắt,động cơ được nối nguồn qua
1
D
,điện áp
đặt lên động cơ làU.
Trong khoảng
T t T  
,
2
S
dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua
2
S
,điện áp đặt lên động cơ là 0.
c) Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải

20


d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ.
Trong khoảng

1
S
(
1
D
) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có:
di
Ri L E U
dt
  
.
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
min
U E
t t
i(t) .(1 e ) I .e
R

   
  

Trong khoảng
2
S
(
2
D
) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có:
di
Ri L E 0

dt
  
.
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
(t T) (t T)
max
E
i(t) (1 e ) I e
R
 
 
   


T
min
T
U e 1 E
I
R R
e 1



 

 
 
 
 


 
;
T
max
T
U 1 e E
I
R R
1 e




 

 
 
 
 

 
trong đó
L
R
 

d
u

d
I

d
i

1
D

2
D

1
S

2
S

t
t
t
t
0

0
0
0
d
U

T

T

dk1
u

dk2
u


21
Điện áp trung bình trên động cơ:
T
T
d d
0 0
1 1
U u dt Udt U
T T

  
 

Dòng điện trung bình:
d
d
U E U E
I

R R
  
 

Độ nhấp nhô dòng điện:
T T (1 )T
max min
d
T
I I U 1 e e e
I
2 2R
e 1
 
  

 
   
 
  
 
 

 

Do
1

T
nên sử dụng công thức tính gần đúng

2
x
x
e 1 x
2
  
ta được
d
U
ΔI (1 )
2fL
   



d max
U
ΔI
8fL


Dòng trung bình qua
1
S
(
1
D
) là:
1 d
I I 

Dòng trung bình qua
2
S
(
2
D
) là:
2 d
I (1 )I  





II.2.5 Bộ đảo áp

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Nguyên tắc điều khiển:
Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một
khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn γ.

22
c) Nguyên lý hoạt động
Chế độ động cơ (
0,5 1  
)

Trong các khoảng
0 t T( 0,5)   
và
T
t T
2
  
thì S1 và S2 cùng dẫn, điện
áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ
min
I
tới I
max
ta
có phương trình:
di
Ri L E U
dt
  
.
Trong các khoảng
T
T( 0,5) t
2
   
và
T t T  
thì S1 và S2 không đồng thời
dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp dặt lên

động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ
max
I
xuống
min
I
, ta có phương trình
di
Ri L E 0
dt
  
.
Các thông số của mạch
Biểu thức dòng tải
dk1
u

dk2
u

d
u
d
U

d
i

d
I

1
2
S
S

1
2
S
D

1
2
S
S

1
2
D
S

t
t
t
t
0
0
0
0
T

T

23
Trong khoảng
0 t T( 0,5)   
: điện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua
động cơ tăng từ I
min
tới I
max.
Phương trình dòng qua động cơ:
di
Ri L E U
dt
  

Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
min
U E
t t
i(t) .(1 e ) I .e
R

   
  
.
Trong khoảng
T
T( 0,5) t

2
   
: dòng i
d
ngắn mạch qua S
1
và D
2
điện áp
đặt lên động cơ là 0, i
d
giảm từ I
max
về I
min
.
Phương trình dòng qua động cơ:
di
Ri L E 0
dt
  
.
Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
(t T) (t T)
max
E
i(t) 1 e I e
R
   
 

 
   
 
 
trong đó
0,5   

Với điều kiện
T
i(0) i( ) I
min
2
 
, dựa vào hai phương trình trên ta có:
T
min
T
2
U e 1 E
I
R R
e 1



 

 
 
 

 

 
;
T
max
T
2
U 1 e E
I
R R
1 e




 

 
 
 
 

 
trong đó
L
R
 

Độ nhấp nhô dòng điện:

max min
I I
U U
I (2 1)(1 )
d
2fL 16fL
2

       

Điện áp trung bình đặt trên động
cơ:
T
T
2
d d
0 0
2 2
U u dt Udt 2 U (2 1)U
T T

      
 

Dòng điện trung bình
d
d
U E (2 1)U E

I
R R
  
 

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V
Dòng trung bình qua các van S1, S2:
1 d
(2 1)U E
I I
R
 
   

Dòng trung bình qua các diot:
2 d
(2 1)U E
I (1 )I (1 )
R
 
     

Chế độ hãm tái sinh (
0 0.5  
)

24


Trong khoảng

0 t T  
động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng
điện qua động cơ tăng từ I
min
tới I
max
, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có
phương trình:
di
Ri L E
dt
 
(đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ
hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trình trong
khoảng xét ta được:
t t
min
E
i(t) (1 e ) I e
R
 
 
  
(1)
Trong khoảng
T
T t
2
  
, động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot

D1 và D2, dòng qua động cơ giảm từ I
max
xuống I
min
, ta có phương trình
di
Ri L E U
dt
  
.

Giải phương trình trong khoảng xét ta
được:
(t T) (t T)
max
E U
i(t) (1 e ) I e
R
   
 

  
(2)

Điện áp trung bình đặt lên động cơ:
dk1
u

d
u

dk2
u


d
i

d
U
d
I


25

T 2 T 2
d d
0 T
2 2
U u dt ( U)dt (2 1)U
T T




Dũng in trung bỡnh l:
d
d
U ( E) E (1 2 )U

I
R R



Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 l:
1 d
I I

Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2l:
2 d
I (1 )I

in ỏp ngc ln nht t lờn cỏc van l:
ng.max
U U

2.2.6 B Chopper lp E

Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều
1. S nguyờn lý

ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn
IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải .
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến
đổi này thường 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 phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,điều
khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng .

2. Cỏc phng phỏp iu khin
a.Phương pháp điều khiển độc lập
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van
chạy ,cặp còn lại sẽ khoá.
+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ .
+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn .