Báo cáo bài tập lớn môn truyền đông điện: Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

LỜI NĨI ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều
khiển vận hành hiệu quả các thiết bò nhằm tăng khả năng sản xuất,
tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như
mọi chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bò sản xuất giữ một vò trí
quan trọng.
Điều khiển máy điện là một lónh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết
bò, khí cụ và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại
lượng của chuyển động như mômen, tốc độ hay điều khiển vò trí tuỳ
theo các yêu cầu phát sinh của mỗi loại hình sản xuất.
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có
điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn đònh tốc độ cao và
các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều.
Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến
trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều
như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển,
máy cán, máynghiền, .v.v…
Để điều khiển động cơ một chiều có rất nhiều phương pháp như: sử
dụng hệ thống máy phát – động cơ (F-Đ), hệ thống chỉnh lưu có điều
khiển dùng tiristor hay bộ băm áp một chiều .v.v. Trong bài tập của mình
em xin trình bày một số hiểu biết về bộ băm áp một chiều.


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

Chương 1: Nguyên lý mạch điều khiển của bộ băm áp
một chiều

Bộ băm áp dùng để biến đổi điện áp một chiều không đổi thành các
xung một chiều có trị số trung bình Utb biến đổi. Utb có thể điều chỉnh từ 0
đến lớn nhât chính bằng điện áp nguồn cấp cho bộ băm.
Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở
và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Điện áp tải khi điều
khiển được tính

Utb = γ.U
Trong đó γ

= ton/T ton là thời gian van bán dẫn đóng điện động cơ
trong một chu kỳ xung

T là thời gian chu kỳ của một xung
Mạch điều khiển của bộ băm áp thường gồm 3 phần chính
Uđiều khiển
Tạo tần
số

So sánh

Khuyếch
đại

Phần tạo tần số: có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cưa U rc với tần số theo
ý muốn người thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn
khá lớn (hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần
số của van bán dẫn. Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần
số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là Tranzitor lưỡng cực, trường,
IGBT tần số có thể hàng chục KHz.

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

U

U

U

U®k
t

t

γ

γ

Tck

γ

Tck

a

t
Tck

c

b

C¸c d¹ng ®iÖn ¸p tùa cña m¹ch ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p mét chiÒu
Phần so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm đóng cắt van bán dẫn. Tại
các thời điểm điện áp tựa bằng hoặc lớn hơn điện áp điều khiển thì phát
lệnh mở khoá van bán dẫn và ngược lại.

URC - điện áp tựa

Nguyên lí

Uđk - điện áp điều khiển

URC

U®k
t

UT¶i
γ

t1

t2

t3

t4

t5

t

Phần khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn.
Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ
dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

động lực khi nguồn động lực hàng chục vơn trở lên. Hình dạng xung điều
khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng.

Chương 2: Ngun lý mạch động lực của bộ băm áp
một chiều
Sau khi xung điều khiển được khuyếch đại đủ lớn, xung ấy được đưa tới
để đóng mở các van bán dẫn. Van bán dẫn dùng trong bộ băm áp có thể là
tiristor, GTO, transistor cơng suất, MOSFET , IGBT .v.v. Trong bài của
mình em xin trình bày ngun lý của mạch động lực dùng van bán dẫn là
tiristor. Bộ băm áp có thể chia làm 3 loại: bộ băm nối tiếp, bộ băm song
song, bộ băm hỗn hợp.
2. 1 Bộ băm nối tiếp (bộ giảm áp):
2. 1. 1 Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như sau:

+

•

•

(-) +
C
(+) - VS2
•

U
-

VS1

DC
•

•

•

•

•

Id
Rd

•

LC

Ld

D0
ID0

Ud

↑

E

•

Trong đó:
- VS1: Là tiristor chính.
- VS2: Là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm.
- Lc,Dc, C: Là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch nạp cho tụ C.
- D: Diode hoàn năng lượng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt.


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

Bộ băm nối tiếp là một khóa điện S bằng tiristor được điều khiển
đóng mở trong hệ thống một cách chu kỳ. Khi S đóng thì điện áp ngỏ
ra trên tải Ud = U còn khi S mở thì Ud = 0.
Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bò khóa, tụ C được nạp đầy
với bản cực dương ở phía trên như ghi chú trong hình.

Cho xung điều khiển kích tiristor chính V S1, VS1 mở, dòng điện từ cực
dương của nguồn U chạy qua VS1 vào mạch phụ tải ( R, L, E ) rồi trở
về cực âm của nguồn U. Đồng thời tụ C sẽ phóng điện theo vòng: V S1Lc-Dc-C và tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại. Điện áp ra trên
tải Ud = U.
Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ V S2, VS2 mở, đặt điện áp
giữa hai bản cực của tụ C lên V S1 làm cho VS1 bò khóa lại. Lúc này
điện áp ra trên tải Ud = 0.
Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của V S1 sẽ điều chỉnh
được giá trò trung bình của điện áp ra trên tải

Utb = γ.U
Có hai cách để thay đổi γ:
- Giữ cố đònh chu kỳ xung T ( tần số cố đònh ), thay đổi thời gian đóng
mạch Ton của bộ băm. Phương pháp này được gọi là phương pháp điều
khiển độ rộng xung (PWM).
- Giữ cố đònh thời gian đóng mạch Ton, thay đổi chu kỳ của bộ băm T (
tần số biến thiên ). Phương pháp này được gọi là phương pháp điều
tần.
Khi γ= 0 tức là Ton = 0 ta có Utb = 0, bộ băm thường xuyên ngắt mạch
Khi γ= 1 tức là Ton = T ta có Utb = U, bộ băm thường xuyên đóng
mạch
Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud như sau:


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

Ud
U

0

Utb
Tđg

T

t

Tng

2. 1. 2 Cách điều chỉnh tốc độ:
Khi điện áp nguồn một chiều U không đổi, tốc độ của động cơ sẽ
thay đổi nhờ sự thay đổi tỷ số thời gian đóng ngắt khóa S. Ta có sơ đồ
nguyên lý hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp
như sau:
+

•

•

U
-

•

Lư

Iư

D0

Đ

•

•

2. 2 Bộ băm song song (bộ tăng áp):
2. 2. 1 Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song được biểu diễn như sau:
+

D
•

•

Id

IT
U

Ud

T

R
L

•

↑ E
-

•

•


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

L: Là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung
để giữ cho dòng Id = const.
Xét trong khoảng thời gian 0 < t < γT thì tiristor T mở, diode D được
phân cực ngược nên bò khóa để tránh làm ngắn mạch nguồn U. Lúc
này: Utb = 0
Trong khoảng thời gian γT < t < T thì T khóa và D mở. Lúc này
Utb = U
Giá trò trung bình của điện áp một chiều:

Utb = (1-γ).U
U

0

Ud

t
Ie
Id

0

t
IT

0 αT

t
T

Sơ đồ biểu diễn dạng xung điện áp ngõ ra


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

2. 2. 2 Cách điều chỉnh tốc độ:

+

D
•

•

U

Lư
Đ

•

-

•

•

Khi tải là một máy điện một chiều, bộ băm song song sẽ cho phép
thực hiện hãm tái sinh. Trong chế độ hãm, máy điện sẽ làm việc như
là một máy phát điện, trả năng lượng trở về nguồn đã từng nuôi nó khi
nó làm việc ở trạng thái động cơ điện.
Ta nhận thấy rằng có thể khống chế dòng điện hãm tái sinh bằng

cách tác động vào tỷ số chu kỳ γ.

Để có thể tiến hành hãm tái sinh cho máy điện, trả năng lượng trở về
nguồn thì Id > 0 do đó sức điện động E > Ud. Như vậy, khi S mở thì
Utb = 0 và khi S ngắt thì Utb = U.
2. 3 Bộ băm đảo dòng:
2. 3. 1 Nguyên lý hoạt động:
Bộ băm đảo dòng là sự kết hợp giữa bộ băm nối tiếp và bộ băm song
song. Bộ băm đảo dòng sẽ cho phép truyền năng lượng theo hai chiều.
Ta có sơ đồ nguyên lý của bộ băm đảo dòng được trình bày như sau :

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn mơn truyền đơng điện

+

•

I2

•

D2
T1

U

•

•

•

Id
R

T2

D1

Ud

•

L
↑ E

-

•

•

•

2. 3. 2 Cách điều chỉnh tốc độ:
Khi tải là máy điện một chiều, U là nguồn điện áp một chiều không
đổi thì máy điện có thể làm việc ở hai trạng thái: Động cơ và máy
phát.
Ở trạng thái động cơ: T2 khóa, T1 mở trong khoảng thời gian là γ1T của
chu kỳ. Lúc này điện áp ra trên tải sẽ là: U tb =
của động cơ E = Utb - RId = γ1U - RId với Id > 0.

γ1U và sức điện động

Ở trạng thái máy phát: T1 khóa, T2 mở trong khoảng thời gian
chu kỳ. Lúc này điện áp ra trên tải sẽ là: U tb = ( 1 -

γ2T của

γ2 )U và sức điện

động trên động cơ: E = Utb - RId = ( 1 - γ2 )U - RId với Id < 0. Mối quan
hệ giữa các tỷ số chu kỳ γ1 và γ2 là γ1 + γ2 = 1.

Như vậy, với bộ băm đảo dòng, bằng cách tác động vào γ1 và γ2 ta sẽ
có được một họ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều ở hai
trạng thái là động cơ và hãm tái sinh.


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

n

α2 = 0
0,25
0,5

α1 = 1

0,75
1

0,5

0,75

0

0,25
0

Chương 3: Sơ đồ các phần trong bộ băm áp
3.1 Phần tạo tần số

Tạo điện áp răng cưa bằng dao động đa hài

M, I


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

Tạo điện áp răng cưa bằng mạch tích phân

3.2 Phần so sánh

U

Uđk

Urc

t
_
+

Uss

t

a.
b.

3.3 Phần khuyếch đại


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

Các xung điều khiển thường được khuyếch đại bằng mạch khuyếch đại
công suất theo kiểu ghép biến áp theo 1 trong 2 sơ đồ sau

Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ thứ nhất tuy có phức tạp về điều khiển
nhưng lại dùng nguồn đơn nên dễ dàng sử dụng hơn sơ đồ thứ hai dùng


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện

nguồn đối xứng. Chính vì thế sơ đồ thứ nhất thường được sử dụng nhiều
hơn.
Xung điều khiển được khuyếch đại đủ lớn sẽ được dùng để đóng cắt 2
tiristor T1 và T2 trong mạch động lực.

Chương 4: Ưu điểm và nhược điểm bộ băm áp một
chiều
4.1 Ưu điểm

- Sử dụng được cho cả quá trình điều khiển tốc độ và hãm động cơ một
chiều.
- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu
PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của
chuỗi xung PWM.
- Tổn hao năng lượng ít hơn so với phương pháp điều chỉnh điện áp một
chiều liên tục.
- Ít nhạy cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng cắt
để đặt hoặc cắt điện áp đặt lên tải.
- Kích thước nhỏ.
4.2 Nhược điểm
- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không
được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng
hưởng của vỏ.
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ
của mô tơ.
- Tần số đóng mở lớn dễ gây ra nhiễu vô tuyến.
- Phải dùng cùng bộ lọc đầu ra do đó tăng quán tính của quá trình điều
khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín.


Điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ băm áp
bài tập lớn môn truyền đông điện