Điều khiển động cơ một chiều bằng bộ băm áp

Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển mạnh
mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kĩ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai
thác các u điểm nổi bật vốn có của động cơ một chiều.
Điều khiển tốc độ l một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng
hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện l m
việc m ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối u hoá quá trình sản xuất. Muốn có
đợc các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nh tỉ
số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động.
Với bài tập này em chỉ nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ
một chiều.

"Điều khiển động cơ một chiều bằng bộ băm áp "
Nội dung và các chơng trình mục nh sau :
Chơng I : Sơ lợc về động cơ một chiều
I.
II.

Cấu tạo
Nguyên lí hoạt động của động cơ 1 chiều

III.

Phân loại động cơ một chiều.

IV.

Các phơng trình cơ bản của động cơ một chiều.

Chơng II: Tổng quan về điều khiển động cơ một chiều bằng bộ băm áp
I.

Khái niệm chung về điều khiển động cơ một chiều.

II.

Các loại băm áp.

Tuy nhiên, với trình độ có hạn không tránh khỏi những sai sót, em mong cô
thông cảm và đóng góp ý kiến để giúp em tiến bộ hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô.
Hà Nội, ngày 27 tháng 02 năm 2009.
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Lợng
Nguyn Vn Lng (014105005)

1

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Chơng I. Sơ lợc về động cơ một chiều
I.

Cấu tạo
I.1. Stato
Stato (phần cảm), gồm lõi thép đúc vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ
chính có dây quấn kích từ.
Stato thờng là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện.
I.2. Rôto
Rôto (phần ứng), gồm lõi thép, các cuộn dây quấn và đợc nối với nguồn điện
một chiều.
Lõi thép có dạng hình trụ và đơc làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày khoảng
0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép kĩ thuật đợc dập lỗ thông gió và
rãnh để đặt dây quấn phần ứng.
Có 2 loại dây quấn: Dây quấn sóng và dây quấn xếp.
Một bộ phận quan trọng khác của động cơ 1 chiều là bộ chỉnh lu, nó có nhiệm
vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của roto là liên tục. Thông
thờng bộ phận này là bộ cổ góp và bộ chổi than.
I.3. Cổ góp và chổi điện
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng đợc ghép cách điện có
dạng hình trụ gắn ở đầu trục Rôto.
Chổi điện (hay còn gọi là chổi than) đợc làm bằng graphit.
Các chổi điện đợc tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và chổi điện đợc
gắn ở trên nắp của máy.
II.
Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng
điện một chiều
Nguyờn tc hot ngca ng c in mt chiu

Pha 1: T trng ca rotor
Pha 3: B phn chnh in s
cựng cc vi stator, s y Pha 2: Rotor tipi cc sao cho t trng gia

nhau to ra chuyn ng quaytc quay
stator v rotor cựng du, tr li
ca rotor
pha 1

Nguyn Vn Lng (014105005)

2

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Nu trc ca mt ng c in mt chiu c kộo bng 1 lc ngoi, ng c
s hot ng nh mt mỏy phỏt in mt chiu, v to ra mt sc in ng cm
ng Electromotive force (EMF). Khi vn hnh bỡnh thng, rotor khi quay s phỏt
ra mt in ỏp gi l sc phn in ng counter-EMF (CEMF) hoc sc in
ng i khỏng, vỡ nú i khỏng li in ỏp bờn ngoi t vo ng c. Sc in
ng ny tng t nh sc in ng phỏt ra khi ng c c s dng nh mt
mỏy phỏt in (nh lỳc ta ni mt in tr ti vo u ra ca ng c, v kộo trc
ng c bng mt ngu lc bờn ngoi). Nh vy in ỏp t trờn ng c bao gm
2 thnh phn: sc phn in ng, v in ỏp giỏng to ra do in tr ni ca cỏc
cun dõy phn ng. Dũng in chy qua ng c c tớnh theo biu thc sau:
I = (VNguon VPhanDienDong) / RPhanUng
Cụng sut c m ng c a ra c, c tớnh bng:
P = I * (VPhanDienDong)
III. Phân loại động cơ một chiều.

Căn cứ vào phơng pháp kích từ ngời ta chia động cơ điện một chiều ra các loại
nh sau:
Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ
đợc cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ.
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đợc mắc nối
tiếp với phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đợc mắc
song song với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích,
một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng.
IV. Các phơng trình cơ bản của động cơ một chiều
IV.1. Công suất điện từ:
Pdt=E.I
Trong đó: I là dòng điện phần ứng của máy điện một chiều
E là sức điện động của máy điện một chiều đợc xác định theo biểu
thức sau:

E

u

=

p.N
. = k . .
2.a.

P là số đôi cực từ chính.
a là số đôi mạch nhánh song song.

là từ thông kích từ dới một cực từ (Wb)
là tốc độ góc (rad/s) và =
Nguyn Vn Lng (014105005)

2. .n
n
=
60
9,55
3

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

n là tốc độ quay của máy điện một chiều (vòng/phút).
k=

p.N
là hệ số cấu tạo của máy điện.
2. .a

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Vậy : Pdt = k . .. I u
IV.2. Mômen điên từ :

M

dt

=

P

dt



=

k . .. I u



= k . . I u

IV.3. Phơng trình đặc tính cơ.
Là phơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ.

U

u

= E u + Ru . I u

U u = k . . + Ru . I u
= U u Ru . I u

k . k .
=Uu
k .

R .
( k. ) M
= U R .M
k . ( k. )
u

u

2

dt

(coi

M

dt

M)

u

2

Đây là phơng trình đặc tính cơ đối với động cơ kích từ độc lập.

Nguyn Vn Lng (014105005)

4

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Chơng II: Tổng quan về điều khiển động cơ một chiều bằng bộ
băm áp
I.

Khái niệm chung về điều khiển động cơ một chiều

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết
rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc,
điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối u hoá quá trình sản
xuất. Muốn có đợc các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ
học của máy nh tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động.
Tốc độ làm việc của động cơ do ngời điều khiển quy định đợc gọi là tốc độ đặt.
Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ
phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch vào tải nên khi các thông số
thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về
tốc độ vào có thể không cho phép. Để khắc phục ngời ta dùng những phơng pháp
ổn định tốc độ.
Độ ổn định tốc độ còn ảnh hởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều
chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì giải điều

chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn.
Có rất nhiều phơng pháp để điều khiển tốc độ động cơ một chiều, nhng ở đây ta
chỉ xét đến phơng pháp điều khiển bằng bộ băm áp.
Điều khiển bằng băm áp (băm xung)
Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp.
Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh đợc trị số trung bình điện áp tải.
Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử
đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt
đợc mắc song song với tải).
Phơng pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách
có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lợng đợc đa từ nguồn vào
động cơ. Năng lợng này phần chủ yếu đợc truyền qua trục của động cơ, phần còn
lại đợc tích ở dạng động năng và năng lợng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi
nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lợng tích luỹ đó.

II. Các loại băm áp
Nguyn Vn Lng (014105005)

5

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

1. Băm áp một chiều nối tiếp
1.1. Nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp
+

K
U

U1

Ud

Ud

U1

Zd

t

_

0

a.

t1

t2

TCK
b.
Hình 2.1 Băm áp một chiều nối tiếp; a. sơ đồ nguyên lí; b. đường
cong điện áp.

Sơ đồ nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên hình 2.1a. Theo đó
phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một chiều
đợc điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khoá K trong chu kì đóng cắt.
Trong khoảng 0 ữ t1 (hình 2.1b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Ud
= U1), trong khoảng t1 ữ t2 khoá K mở điện áp tải bằng 0.

Nguyn Vn Lng (014105005)

6

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Trị số trung bình điện áp một chiều được tính

U

nếu coi
Ud = . U1
f=1/TCK

thì:

Ud

U1

UTB
t

t
= 1
Tck

0

t1

t2

TCK
b.

1.2.Hoạt động của sơ đồ với tải điện cảm
Sơ đồ điển hình có dạng:
K

U,i

Ud

id

Ld

Rd

Ud

t

Dòng điện đợc xác định bởi phơng trình vi phân:

U =R
1

i=

d

.i + Ld .

di
dt

t
t




.
+
1

T
T
d
I bd e
I XL e d









Trong đó:
i - dòng điện tải;
Rd - điện trở tải;
Ld - điện cảm tải
Ibd - dòng điện ban đầu của chu kì đang xét (mở hay đóng khoá K);
IXL - dòng điện xác lập của chu kì đang xét
Khi khoá K đóng ; Khi khoá K mở IXL = 0



T

d

=

L
R

d

- hằng số thời gian điện từ của mạch

d

Nguyn Vn Lng (014105005)

7

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện



Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Độ nhấp nhô dòng điện đợc tính:

I =

(1 ). .U 1 .T CK (1 ). .U 1
=

2. Ld

2. Ld .

f

x

Từ biểu thức thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn
thông số: điện áp nguồn cấp (U1); độ rộng xung điện áp (); điện cảm tải (Ld)và
chu kì chuyển mạch khoá K (TCK). Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung
điện áp phụ thuộc yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải L d là thông số của
tải. Do đó để cải thiện chất lợng dòng điện tải (giảm nhỏ I) có thể tác động vào
TCK. Nh vậy, nếu chu kì chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch càng lớn)
thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lợng dòng điện một chiều càng
cao. Do đó bộ điều khiển này thờng đợc thiết kế với tần số cao hàng chục kHz.
Có thể minh hoạ bằng giản đồ dòng điện điện áp cho hai tần số khác nhau

U,i

Ud

id

U,i

t

t
a)

Nguyn Vn Lng (014105005)

b)

8

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

1.3. Các sơ đồ động lực của băm áp nối tiếp
T1

Các sơ đồ điển hình:
Dùng tiristor hình a
Dùng tran. lưỡng cực hình b
Dùng tran. trường hình c
Dùng IGBT hình d

T

MĐK

Zd

Ud

b

a

T

T
MĐK

Zd

MĐK

c

Zd

d

2. Băm áp song song
Nguyên lí băm áp song song
Tổn hao công suất khi băm áp song song
Băm áp có hoàn trả năng lợng về nguồn
2.1. Nguyên lí băm áp song song
Sơ đồ:
Dòng điện và điện áp đợc tính tơng
ứng khi khoá K đóng

i = U ;U
R

1

s

d

Rhc
U1
+

K

-

=0

iT

iS

Rd

Ud

hc



và khoá K hở

i

T

=

R

U
hc

1

+ Rd

;U d =

R

U
hc

Ud
1

+ Rd

t

. Rd

t1

iN

TCK
t

iS
t
0

0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở

Nguyn Vn Lng (014105005)

9

Lp: H in t 1_khoỏ 1


Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

Tổn hao công suất khi băm áp song song


Trờng hợp tổng quát

P =

Rhc iS2t1 + Rhc iT2 t 2
t1 + t 2

U12
U12
t1 +
t2
Rhc
Rhc + Rd
P =
t1 + t 2

Khi điều chỉnh, chu kì xung điện áp không đổi. Khi đó, cứ tăng t1 thì giảm
t2 và ngợc lại. Khi cần giảm điện áp tải, cần tăng t1 và giảm t2, công suất tổn hao
trong biểu thức trên tăng
Do đó, băm áp song song không thích hợp khi tải nhận năng lợng từ lới.
Băm áp có hoàn trả năng lợng về nguồn
Trờng hợp này chỉ xét khi tải có sức điện động (ví dụ cấp điện một chiều về
nguồn tải thuần trở).
Dòng điện chạy ngợc về
U
nguồn chỉ tồn tại khi Ed>U1
t
d

0

D0

iN

+

id

-

iS
t
0

Ud
Ed

K

TCK
t

Rd

iS

U1

t1

iN

0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở

b.

a.

Xét trờng hợp khi tải điện cảm và có sức điện động (ví dụ động cơ làm việc
ở chế độ hạ tải)

iN

+
U1

D0

Ud

id

iS

Rd

K

Ld

iN

Ud

t
TCK
t

iS

Ed

-

t1

t
0

a.

0ữt1 - khoá K
t1ữTCK - khoá Khở

Nguyn Vn Lng (014105005)

10

Lp: H in t 1_khoỏ 1

Truyền động điện

Điều khin ng c mt chiu bng b bm ỏp

3. Băm áp nối tiếp, song song kết hợp
Trong trờng hợp tải làm việc cả chế độ
nhận năng lợng và trả năng lợng, sơ đồ phối
hợp nối tiếp và song song đợc sử dụng.
Khi nhận năng lợng từ lới, điều khiển
KN.
Khi trả năng lợng về lới, điều khiển KS.

D1
iN

+

id
KN

Rd

iS

U1

D2

KS

Ld

Ed

-

UN

4. Băm áp đảo chiều
Sơ đồ nh hình vẽ
Theo chiều chạy thuận, điều khiển T1,
T3 dòng điện tải iT có chiều trên xuống nh
hình vẽ, UAB>0.
Theo chiều chạy ngợc, điều khiển T2,
T4, dòng điện tải iN có chiều dới lên nh hình
vẽ, UAB<0.

A

T1

T4

ZT
iN

T2 iT

U,i

B

T3

T1
t

U,i

T3
Chiều thuận

U,i

T2

t

t
U,i

Nguyn Vn Lng (014105005)

Ud

T4
Chiều
11 ngượcLp: H in t 1_khoỏ 1
t

TruyÒn ®éng ®iÖn

§iÒu khiển động cơ một chiều bằng bộ băm áp

NhËn xÐt cña gi¶ng viªn :
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Nguyễn Văn Lượng (014105005)

12

Lớp: ĐH Điện tử 1_khoá 1


TruyÒn ®éng ®iÖn

§iÒu khiển động cơ một chiều bằng bộ băm áp

…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………

Nguyễn Văn Lượng (014105005)

13

Lớp: ĐH Điện tử 1_khoá 1