Thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn cung cấp từ acqui

Mục lục
Chương I - Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ song song ……….....3
I.1) Cấu tạo…………………………………………………………3
I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ song song …………………………………………...4
I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều…………………........5
I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song.....7
I.5) Lựa chọn phương án mạch lực………….……………………...9
Chương II - Các phương án tổng thể…….…………………………….........10
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….….......10
II.2) Bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện
và điện áp……………………………………………….......11
1) Điều khiển đối xứng……………………………….……….12
2) Điều khiển không đối xứng ……………….……….…..…..16
II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung….........21
Chương III - Tính toán mạch lực…………………………………………....27
Chương IV - Sơ đồ nguyên lí mạch thiết kế…………………………….......28
III.1) Khâu tạo dao động………………………………………........28
III.2) Khâu tạo điên áp răng cưa………………………………........31
III.3) Khâu so sánh………………………………………………....32
III.4) Khâu chọn van……………………………………………......33
III.5) Khâu tạo trễ………………………………………………......34
III.6) Khâu khuếch đại xung….…….………….……………….......35
III.7) Khối phản hồi…………………………………………….......36
III.8) Khối tạo điện áp nguồn …………………………………........37
Chương V - Tính toán mạch điều khiển……….………………………........37
Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng…………............40
KÕt luËn...........................................................................................................41
Tài liệu tham khảo……………………………………………………….......43
1

Lời nói đầu
Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như động
cơ điện đồng bộ, không đồng bộ, động cơ điện một chiều..., trong đó động cơ điện
một chiều có những ưu điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế.
Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của
trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng một
cách triệt để, tinh vi và sáng tạo. Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng theo yêu
cầu công nghệ, ta cần rất nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành... trong
đó, bộ điều chỉnh điện áp một chiều (băm xung áp một chiều - BXMC) có vai trò đặc
biệt quan trọng, bộ BXMC càng tối ưu thì càng dễ vận hành, tăng chất lượng làm việc
và tăng tuổi thọ của động cơ. Ngày nay, sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn
gắn liền với, không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC.
Vậy thiết kế bộ BXMC như thế nào ?
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện tử
công suất với đề tài: Thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều kích từ song song lấy nguồn cung cấp từ acqui.
Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng với sự
hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là TS. Võ Minh Chính đã
trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Đồ án được gồm ba
phần chính sau:
1. Giới thiệu sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ song song.
2. Thiết kế và tính toán mạch lực.
3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.
Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất chưa có kinh nghiệm nên em không tránh
khỏi những sai sót, mong các thầy giúp đỡ, hướng dẫn , chỉ bảo để kiến thức của em
về bản đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày 23 tháng 11 năm 2004
Sinh viên : Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41
Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều
kích từ song song
I.1) Cấu tạo:
Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay.
2

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

lớn hay nhỏ.
- Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối
với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng.
Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục
máy...
Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng
kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.
3

Hỡnh I- S nguyờn lý ca ng c in mt chiu kớch t ni
tip (a), kớch t song song(b), kớch t hn hp(c), v kớch t c lp(d).
Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì
mạch kích từ thờng mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ đợc gọi là
động cơ kích từ song song.
I.2) Phng trỡnh c tớnh c ca ng c in mt chiu kớch t song
song:
1) nh ngha: Phng trỡnh c tớnh c l th miờu t mi quan h gia

mụ men in t M
t
v tc gúc ca ng c.
2) c tớnh c:
T phng trỡnh cõn bng in ỏp :



=
=

..

.E
0
0
KE
RIU
u

2
.
.
..
.
.


=



=
K
RM
K
U
K
RI
K
U
uu

cng c tớnh c:
u
R
K
2
).(

=


=


cng ln c tớnh c cng cng
th:

=
.
0
k
U

: tc khụng ti lớ tng.
4
TN
M
n
M
C
M

C1
n
0
n
yc
n
1

M
mm
=
u
R
KU
Φ
..
: Mômen mở máy.
I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều:
1) Mở máy:
Từ phương trình điện áp phần ứng :
U=E
u
+R
u
.I
u
u
R
u
u

EU
I
−
=⇒
Khi mở máy n=0 ⇒ E
u
=
Φ
..
60
.
n
a
Np
=0
Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I
umở
=
u
R
U
vì R
u
nhỏ I
umở
lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để dảm dòng
điện mở máy ta dùng các biện pháp sau:
+ Dùng biến trở mở máy R
mở
:

Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này :
Iưmở =U/(Rư+Rmở )
Lúc đầu để R
mở
max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở
này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức.
+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:
Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện
có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ
băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động
cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi.
2) Các trạng thái hãm động cơ:
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay
.Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy theo
cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:
a) Hãm tái sinh:
5

Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn
tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh E
u
>U
u
, động cơ làm việc như một máy
phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi
chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ
IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và
công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I
b) Hãm ngược:
Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi phần

ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen
thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động
cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược :
+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng.
+ Đảo chiều điện áp phần ứng.
c) Hãm động năng:
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của
động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu
tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượng
nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì vậy,
trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh.
I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song:

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

2
.
.
..
.
.
Φ
−
Φ

=
Φ
−
Φ
=
K
RM
K
U
K
RI
K
U
uu
ω
. Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều như sau :
1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp:
6
U
1
U
2
U
3
TN ( U
dm
)
n
0

n
cb
n
1
n
2
n
3
M
n
M
C
U
dm
> U
1
> U
2
> U
3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3

Đặc điểm :

- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ
cứng của đặc tính cơ không thay đổi.
- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ.
- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn.
2) Thay đổi điện trở phần ứng R
u
:
Đặc điểm :
- Khi thêm R
uf
vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc
tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến
một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ
băng R
u
ít được sử dụng.
- Ngoài ra khi thêm R
u
vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng
động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ.
3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:
7
TN
R
f1
R
f2
R
f3
0

M
C
n
3
n
2
n
1
n
cb
n
0
n
M, I
0 < R
f1
< R
f2
< R
f3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3
Φ1
Φ

2
Φ
ñm
0 M
C
M
2
M
1
M
n
n
c
b
n
1
n
2
n
M
φ
ñm
> φ
1
> φ
2
n
cb
< n
1

< n
2

Đặc điểm :
- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm
từ thông trong động cơ.
- Khi từ thông Φ
dm
giảm đến Φ
i
thì có một M
ik
nào đó, khi M
c
< M
ik
việc giảm Φ
sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M
c
>M
ik
việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ.
Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì
quan hệ Φ(ω) là phi tuyến.
I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ:
Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì
phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy
nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật bán
dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và
đem lại hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một

chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực
hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ.

CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:
1) Nguyên lý:
Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U
s
tạo ra điện áp
tải U
ra
cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được.
8
U
ra
t
t
1
t
2
T

0
Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U
ra
= γ .U
s
(γ=t
1

/T). Nguyên lý cơ bản của
các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có
chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải.
2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung
bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
S
S
tai
U
T
Ut
U .
.
1
ε
==
BB§
9
BB§
BB§
mét
chiÒu
U
S
U
ra
U

tb

trong ú:
T
t
1
=

l h s lp y, cũn gi l t s chu k.
Nh vy theo phng phỏp ny thỡ di iu chnh ca Ura l rng (0 < 1).
b) Phng phỏp xung - tn:
Ni dung ca phng phỏp ny l thay i T, cũn t1=const. Khi ú:
SStai
UftU
T
t
U ...
1
1
==
Vy U
ra
=U
S
khi
1
1
t
f
=

v U
ra=0
khi f=0.
c) Phng phỏp xung - thi gian:
Va thay i rng xung va thay i tn s theo nguyờn tc gi I min
Trong thc t, phng phỏp bin i rng xung c dựng ph bin hn vỡ n
gin hn, khụng cn thit b bin tn i kốm.
II.2) Sơ đồ b bm xung ỏp mt chiu cú o chiu c dũng in v
in ỏp:
Do yờu cu ca ỏn l thit k b bm xung mt chiu iu chnh tc
ng c in mt chiu kớch t song song, Tho món cỏc yờu cu trờn ta ch cú th
chn mch lc l b bm xung áp một chiều với S nguyờn lý nh sau :
Trong ú :V1,V2 l cỏc van iu khin hon ton.
D1,D2, l cỏc diot.
S trờn cho phộp iu chnh tc quay của động cơ, c tớnh lm vic ca
ng c cú th ở góc phần t thứ nhất và gúc phn t thứ 2.
10
U
S
i
dk1
i
dk2
u
d
U
S
u
S1
,i

S1
i
S
u
D1
, i
D1
Bi u d ng súng dũng, ỏp trờn cỏc ph n t

b) Các biểu thức tÝnh to¸n:
- Tìm biểu thức của dòng tải :
11

+ Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là U
T
=U
S
, do đó
phương trình mạch tải sẽ là:
Sd
d
UERi
dt
di
L
=++
Giải phương trình vi phân, ta có:
atat
S
d

eIe
R
EU
ti
−−
+−
−
=
.)1.()(
min
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
SS
SSSS
T
t
S
t
S
T
dd
UU
UUTTUTU
T
dtUdtU
T
dtu
T
U
)12()1(
)1()]([

1
])([
11
2
2
00
−=+−=
−−=−−=
−+==
∫∫∫
εεε
εεεε
Trong đó:
T
t
2
=
ε
là tỷ số chu kỳ.
Vậy nếu ta thay đổi được ε ta sẽ điều chỉnh được U
d
.
Cụ thể: ε=0,5→ U
d
=0⇒ Động cơ không được đặt điện áp.
ε>0,5→ U
d
>0⇒Động cơ quay ngược.
ε<0,5→ U
d

<0⇒Động cơ quay thuận.
- Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1
εεε
εε
−
−
−−≈
−+−−
−
−−
==
−

∫
R
EU
R
U
R
E
R
U
A
BAB
aTR
U
dtti
T
I
SS
SS
t
D
- Giá trị trung bình dòng qua van:
)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2

.
1
11
1
1
εεεε
−−
−
≈
−
−−
−
−
=
−
R
U
R
EU
A
BAB
aTR
U
R
EU
I
SSSS
T
- Giá trị trung bình dòng tải:
)12.(

S
S
d
U
E
R
U
I
−−=
ε
2) Điều khiển
12

a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau:
+ Ở thời điểm t
0
=0 phát xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn u
d
=U
N
I
d
tăng dần đến thời điểm t= t
1
I
d
=0 V1 bắt đầu dẫn I
d
tiếp tục tăng dần đạt đến I
d

=I
max
tại thời điểm t=t2.
+ t = t
2
=ε.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do I
d
>0 tải điện cảm
dòng i
d
tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 u
d
=U
N
;V2 chưa dẫn, dòng dòng id>0
giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trên cuộn dây L đến t=t3 id=0 U
V2
>0
van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoá
van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trả
năng lượng về nguồn…
b) Các biểu thức tÝnh to¸n:
13
u
dk1
u
dk2
t
0
t

1
t
2
t
3
t
4
= T
i
d
I
max
I
min
u
d
U
N
I
d
U
d
D
1
D
4
V
1
V
4

D
2
V
4
V
2
D
4


- Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải:
R
E
A
B
R
U
I
ó
−
−
−
=⇒
−
1
1
1
max
1
1

.
Trong ®ã:
TaaT
eBaA
ε
==
−
11
;
.
- Giá trị dòng trung bình qua tải:
dd
d
UERi
dt
di
L
=++
∫∫∫∫
=++⇒
T
d
TT
d
T
d
dtU
T
Edt
T

dtRi
Tdt
di
L
T
0000
1111

ód
UERI
ε
=++⇒
0

R
EU
I
ó
d
−
=⇒
ε
- Dòng trung bình qua van: I
T
=
)1(
)1).(1.(
.
1
11

1
1
AT
BABU
R
L
S
−
−−
−

dT
II
ε
≈⇒
- Dòng trung bình qua diod:
)1.()1.(
.
)1(
1
)1).(1(
.
.
.
1
11
1
1
εε
ε

ε
−=−
−
≈−−
−
−−
=
−
d
SS
D
I
R
EU
R
E
A
BAB
TR
L
R
U
I
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
∫
==
T
óód
UdtU
T

U
ε
ε
0
1
Nh vËy, ®Ó điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện áp ra
tải.có những ưu điểm sau:
+ Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định.
+ Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện
+ Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau:
εU
S
> E → Động cơ nhận năng lượng.
εU
S
< E → Động cơ phát năng lượng.
II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung:
1) Trasistor công suất:
Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:
14
E
I
C
B
U
BE
I
E
C
I

B
U
CE