Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp

TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐHSPKT
ĐHSPKT HUNG
HUNG YÊN
YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________
học.
TRƯƠNG ĐHSP KỸ THUẬT HUNG YEN CỘNG HOA XÃ HỘI CHU NGHĨA
VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỦ
ĐỘC LẬP- TỤ DO- HẠNH
NHẬN
XÉT
VÀ
ĐÁNH
GIÁ
CỦA
GIÁO
VIÊN HƯỚNG DẪN
PHÚC
ĐÒ ÁN MÔN HỌC

LÓ'P
: 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 lưọng tĩnh cho trước:
+ Dải điều chỉnh tốc độ D = 30/1
+ Sai lệch tìnhSt < 3% ”
2/ Số liệu cho trước:
-

Thông sổ động cơ một chiều p đm =lkw, Uđm = 48V, Rư = 0,2Q; Lư =
0,lmH;
r|=85%; ndm = lOOOvòng/phút.

3/ Nội dung cần hoàn thành:
1. Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống

Giáo viên hướng dẫn:

Giáo viên hướng dẫn
Ths Nguyễn Phương Thảo

Ngày ...tháng... năm 2006
Thông qua bộ môn

21


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

Mục Lục

Trang

Lời nói đần
5

: Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thong

6

Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. 6

1.

2. Động cơ Hybrid

7
3.

ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô
điện
10

Tống quan về động cơ điện một chiều.
11
3


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử
học.___________________

đô án môn

2. Bộ băm xung áp một

3. Một số sơ đồ băm xung

áp.

21

3.2.Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều

4.1

.Chọn

van

mạch

lực

4.2. Thiết kế mạch trợ giúp

II.Thiết kế mạch điều khiến.
1 .Mạch tạo dao động
2.Mạch tạo xung răng cua

3.

4. Khâu so sánh

4


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
học.__________________________

đô án môn

6. Một số mạch phụ trợ khác

7.Sơ đồ khối kết nổi mạch điều khiển

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. Kiếm tra chất lượng tĩnh của hệ thống.

57

5


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

T'•

r • -t Á

Lòi nói đâu
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 sổng 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 đối 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 chuyến hàng
trong nhà máy, trên bến cảng...
Trong nội dung đề tài này chúng em đưa ra bộ băm xung áp một chiều điều
khiến động cơ trong ôtô điện. Vì bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều có sơ
đồ điều khiến đơn giản tin cậy dễ thao tác trong vận hành điều khiến động cơ ôtô.
Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhung do kiến thức có hạn nên không

thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cô đóng góp ý kiến đế đồ
án được hoàn thiện hơn.

Cấu trức và nôi dung chính của đề tài;
6


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

CHƯƠNGl: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG

1. Vai trò và ứng dụng của động CO’ 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 vục
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 đối 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 mở, 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 điếm 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

họp.
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 triến, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại
7


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô 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 CO’ 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 chồ của hãng
TOYOTA.

Động cơ hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid là dạng ôtô sử dụng động cơ tố họp.
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 đế 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 thiếu 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.

8


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________
cho động cơ điện làm việc.

Hình 1.1. Mô hình động cơHybrid

□ 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 thong song song (hybridparallel System)
Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các
trục

McầPẩ^pệOệrilT
I điều kiện khác1nhau.
xe, mức độ tuỳ theoTicác
Đó được gọi là hệ thống song song vì
~3r.—mOlơ điện
4. bộ truyền lực


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

Parallel hybrid

Engine

Motoi

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).
Từ nhận xét ta thấy hệ thống liên hoàn đã khắc phục được những nhược
điểm đó.

kM
rt*

Hê íhốns liên hoàn(series hvbrid System)

Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền

Uot
y

ị

năng lượng cho một máy phát điện. Dòng điện sinh
ra chia làm hai phần, một đế sạc cho bình ắc quy và
một đế cung cấp điện cho một động cơ điện một

1.
2.

chiều (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các

3.

trục xe. Đó được gọi là hệ thống liên hoàn vì năng

4.

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

ắc quy
bộ đổi
điện
môtơ

điện
máy

Hình 1.2. Nguyên lý
của hệ
thống liên hoàn

-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
10


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
nguồn động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyến đối tù' hoá năng của nhiên
liệu thành cơ năng là quay rotor của máy phát tạo ra điện và từ điện năng lại

chuyển thành cơ năng làm quay bánh xe.
- Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi

nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được
ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có the
chọn ở chế độ hoạt động tối ưu phù họp với các
loại ôtô, sơ đồ này có thể không cần hộp số.

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

- Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và môtơ điện

trong hệ thống trên là.

3. ứng dụng cua 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:
+ 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 khiến 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
11


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
học. ____________

đô án môn

- Có khả năng tăng tốc và giảm tôc dễ dàng.

- Nhanh chóng ốn định tốc độ.

- Đảo chiều quay.

CHƯƠNG 2: TÓNG QUAN VÈ ĐỘNG cơ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơ hầu như không
đối. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và

03

đường đặc tính cơ của động cơ là đường

Do

Rư

rất

nhỏ,

nên

khi

tải

thay

đối

tù'

không

đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên
Mđm
Hình 2.1. Đường đặc
tính cơ
của dộng cơ điện kích
từ

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 đối

12


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

b. Đô mỉ cơ điên kích thích nổi tiếp.

Ớ động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần
ứng : It= Iư=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thế biểu thị:
0=K„.I
trong đó hệ số tỷ lệ K(i> chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; còn khi I >(0,8 -T0,9)Idm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ.
Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:

ỊỈL— nếu bở qua Rư thì: n = ~ụ== hay: M=-^-

Ce.yỊ KQ .M

4M

n

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=0,1=0) thì n có trị số
rất lớn. Vì vậy thường chỉ cho phép động cơ
làm việc với tải tối thiều p2=(0,2 = 0,25)Pđm.
Hình 2.2 Đuờng đặc tính
cơ của
động cơ một chiều kích
từ nối

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. Đông cơ điên kích thích hỗn hop:
Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của
13


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc nguợc nhau. Trên thực tế
người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động co ngược không đảm bảo
được điều kiện làm việc ốn 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 hồn 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
thế áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối
tiếp.
Từ những tính chất của tùng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặc
tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng
loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn họp kiều bù là đáp ứng được
những yêu cầu về truyền động. Ta có thế nêu un điếm 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 Iư 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
14


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
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 thế
dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng đế tăng
dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm
độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu.
Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
□ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ, tức là thay đổi Uư.
□ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đối tù’ thông ®.

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi (ị) có thể thay đổi được liên
tục và giữ được hiệu suất của động cơ là không đối vì sự điều chỉnh dựa trên việc
tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhở so với công suất động cơ. Nhưng do
bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa
(®=®đm=®max), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều
chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn ché 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 uđm của

động cơ. hương pháp này cho phép điều chỉnh triệt đế vì có những un điếm sau:
+ Hiệu suất điều chỉnh cao.
+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+Việc thay đối điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư => mômen ngắn mạch
Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như
15


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
+ 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
tù' một nguồn điện một chiều Ưs tạo ra điện áp tải Ud-là điện áp một chiều nhung
có thể điều chỉnh được.
Sự phối kết họp 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 họp.Chương tiếp theo sẽ trình bày về
thiết kế hệ thống băm xung áp.

CHƯƠNG III: THIẾT KÉ HỆ THỐNG.

I. Thiết kế mạch động lực

1. Giói thiệu nguyên lý chung của bộ biến đối điện áp một chiều.

Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong
16


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn.
Với loại động co công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là
phù họp. 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 truờng vì tham số điều khiển là
thời gian đóng mở van, đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn nên rất phù họp với ôtô
điện.
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 ứne đươc các vêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh

Hình 3. Ị.Sơ đồ nguyên lỷ của hộ băm xung ảp một

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 đối được điện áp một chiều không đối E
thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thế điều chỉnh được. Điện áp

Utb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0 Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E Trong sơ đồ trên L,c là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực
tế là không đôi, 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 đối. Để tránh các sóng không mong
17


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô 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 đế lựa chọn được bộ
biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp (dưới lKHz). Thực tế thường dùng tần số
băm khoảng 400Hz -ỉ- 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 điếm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần
số đóng mở thấp (dưới 500Hz).
Transistor MOS thích họp với dải tần số chuyến mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần tù’ 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 chổng 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 ốn 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
18


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
tống quan nguyên lý điều chỉnh, các phuơng pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm
xung áp thực tế.
Nguyên ly: Nguyên lý chung là biến đôi giá trị của điện áp một chiều ở các mức
khác nhau.

r-h

ura

i

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và
dạng xung ra của BBĐ.
ura là một dãy xung vuông (lý tuởng) có độ rộng ti và độ nghỉ t2. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đối này
là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Đe 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 điên áp ra
Có hai phương pháp:

□ Thay đối độ rộng xung (ti).

trong đó đặt:

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 < s < 1).

19


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
2.2. Phương pháp thay đổi tần so xung
Nội dung của phương pháp này là thay đối T, còn ti=const. Khi đó:
u,„, = !ỳ.us=tl.f.us

Vậy ura= Us khi / = - và ura= 0 khi f = 0.
Ngoài ra có thế phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến
đối độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến
tần đi kèm.
Các dang CO’ bàn:
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:

Tải

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của khoá mắc nối
tiếp
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính
chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & c. Đi-ôt mắc ngược với Ura đế thoát
dòng tải khi khoá K ngắt.
+ K đóng => Us được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utài = Us (nếu bỏ
qua sụt áp trên các van trong bộ biến đối).
20


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
+ K mở => hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itảj do năng lượng
tích luỹ trong cuộn L và Ltài, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utái’ =0.
Như vậy, Utăi tb ^ Ưs. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

Đặc tính truyền đạt:
w. = —— = a

L1
b. Biến đối tăng

\K

—T— C| Tải

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K
song song
Đặc điếm: u nối tiếp với tải, Khoá K 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.
+ K đóng, dòng điện tù’ +Us qua Li —> K —» -Us. Khi đó D tắt vì trên tụ có
Uc
(đã được tích điện trước đó).
+ K ngắt, dòng điện chạy từ +ƯS qua L] —» D —» Tải. Vì từ thông trong Li
không giảm tóc thời về không do đó trong Li xuất hiện suất điện động tự cảm
eL= vv—, có cùng cưc tính Us. Do đó tổng điên áp: U=Us+eL —> làm D thông —
>

dt

21


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG
YÊN
Khoa Điện - Điện tử

học.________________

đô án môn

D
K

Tải

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

Lị chỉ đóng vai trò tích luỹ năng
lượng,
c đóng vai trò lọc.

+ K đóng, trên Li có Us, dòng chạy tù’ +Us —> K —> L\ —» -Us. Năng
lượng
tích luỹ trong cuộn cảm Li; đi-ôt D tắt; Ưtải=Uc, tụ c phóng điện qua tải.

+ K ngắt, cuộn cảm LỊ sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng

D thông => năng lượng từ trường nạp vào c, tụ c tích điện; Utải sẽ ngược chiều
với Us.

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với Us- Giá trị tuyệt đối |Utảj| có thế lớn hơn
22


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
công suất nhở 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 điếm 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

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ bom xung áp loại B

+ s 1, S2 là loại điều khiến hoàn toàn.
+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng RL-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ.
+ DI là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod CÓ tác dụng trả năng lượng tái
sinh cho nguồn.
a) Hoạt động của sơ đồ ỉ
23


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
Đe chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho SI hoạt động như một khoá đóng
cắt; còn S2 không làm việc. Khi Si mở dòng điện tù’ nguồn chảy qua Si qua tải và

trở về âm nguồn. Khi Si khoá dòng tải được khép mạch qua điod Di đảm bảo
dòng tải là liên tục ngay cả khi Si khoá.
Đe đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho s2 và D2 vào vận
hành còn Si ngắt. Khi đó, do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị
ngắt ra khỏi nguồn —> E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép
mạch
qua s2 —» xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu. Công suất điện từ của
động cơ là: Pđt= Id-E > 0.

Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi s2 ngắt, trên điện cảm L
sinh ra sức điện động tụ1 cảm (AUL) cùng chiều với E. Tống hai sức điện động này
lớn hơn điện áp nguồn Us làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng
lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.

24


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________
iđkl
0

II

II II

I

t

Hình 3.7.Biểu đồ dạng sóng dòng, áp

Từ biếu đồ dạng sóng ta có nhận xét:
+ Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn truớc hoặc
ngay
25


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
+ Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có
thế nhở bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thế điều khiển được bằng
cách thay đối thời gian dẫn của Si và S2.

□ Nhận xét:
Ưu điểm của sơ đồ này là:
+ Dòng qua tải luôn là liên tục, do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt
động êm.

+ Có thế thực hiện được quá trình tái sinh năng
E: Sức phản điện động của động
cơ
R:

Điện

trở

dây

quấn

của

động

cơ

L:

Điện

cảm

dây

quấn

của

động

cơ

Xac đinh Imax va Imjn:

dij . _{US-E)
«=> -2- + ai, =
Ư -- - -

R
a =—
L

Sử dụng phương pháp biến đối Laplace ta được:
pỉd(p)-ỉd(°) + ald(p) = E^ —
R p
Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì ld=0. Nhưng sau một vài chu kỳ,
dòng Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do DỊ & D2 dẫn
khi

Si

kho á).
26