Thiet ke bo bam xung 1 chieu co dao chieu

đồ án môn học

Lời nói đầu

N

gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu
trong quá trình phát triển kinh tế, cnh hđh đất nớc. Trong những thành tựu
khoa học kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nớc thành công, phải kể đến cả
những đóng góp của nghành tự động hoá trong cả đời sống, cũng nh trong sản xuất
công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức
tạp trong lĩnh vực tự động hóa. Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện
điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều
và không thể thiếu. Một trong những ứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp là
điều khiển tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) bằng bộ băm xung
một chiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng.
Đồ án gồm các phần chính sau:
Phần A: Cơ sở lý thuyết.
Chơng I: Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.
Chơng II: Động cơ điện một chiều kích từ Nam châm vĩnh cửu.
Chơng III: Các mạch băm xung 1 chiều.
Chơng IV: Mạch điều khiển cho bộ băm xung một chiều có đảo chiều
Phần B: Tính toán thiết kế.
Chơng V: Thiết kế mạch lực.
Chơng VI: Thiết kế mạch điều khiển.
Chơng VII: Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển.
Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.
Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi cộng
với quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nên chúng em không thể tránh
khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận đợc sự phê bình, góp ý của các thầy cô
giáo và các bạn để đồ án của chúng em đợc hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoá
xncn, đặc biệt là thầy giáo phạm quốc hải đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ
chúng em hoàn thành quyển đồ án môn học này.
Sinh viên thực hiện
Lê Thị Thùy Linh

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

Điện áp lới
điện (VAC)
220

Dòng điện định
mức (A)
18
1

Điện áp phần
ứng (V)
48

Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
15:1

đồ án môn học

Sinh viên thực hiện:
Lê Thị Thùy Linh.
Giáo viên hớng dẫn: Thầy Phạm quốc hải
Nhóm đồ án ĐTCS 8 Lớp TĐH1 K48

Tài liệu tham khảo
1 Điện tử công suất _ Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh _ NXB
Khoa Học và Kỹ Thuật HN.
2 - Điện tử công suất (tập 1, tập 2) _ Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn
Thịnh _ NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN.
3 Máy điện _Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu _
NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN.
4 Bộ Khuếch đại xử lý và IC tuyến tính _ William D. Stanley _ NXB Khoa Học
và Kỹ Thuật HN.
5 Phân tích và giải mạch điện tử công suất _ Phạm Quốc Hải, Dơng văn Nghi _
NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN.
6 - Điện tử công suất _ Nguyễn Bính _ NXB giáo dục 2000
7 Truyền Động điện _ Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền _ NXB Khoa Học và
Kỹ Thuật HN.
8 Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất _ Trần Văn Thịnh _ NXB giáo
dục
9 Bài giảng điện tử công suất _ Trần trọng Minh _ NXB giáo dục 2000
2


đồ án môn học

10 các trang Web



www.st.com
www.kitsrus.com



Mục lục
Nội dung

Tài liệu tham khảo
A. cơ sở lý thuyết
Chơng I: giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
I.Vài nét tổng quan về máy điện 1 chiều.
1. Cấu tạo của máy điện một chiều.
2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
3. Phân loại các động cơ điện 1 chiều.
4. Các đại lợng định mức.
II. Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.
1. Giới thiệu động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
(PMDC).
2. Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập.
3. Đờng đặc tính cơ.
4. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập.
5. Các chế độ làm việc của động cơ.
Chơng II: Mạch băm xung 1 chiều
1. Bộ biến đổi xung áp nối tiếp
II. Bộ biến đổi xung áp song song.

III. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn
điện áp vào.
IV. Bộ chopper lớp C (bộ đảo dòng)
V. Bộ đảo áp
VI. Bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều.
VII. Kết luận:
Chơng III: Mạch điều khiển cho mạch băm xung 1 chiều
3

Trang
3
6
6
6
6
7
7
8
8
8
9
10
12
14
18
20
21
21
22
23

25
29
30


đồ án môn học
I. Yêu cầu chung của mạch điều khiển.
II. Nguyên tắc chung của mạch điều khiển.
III. Tính toán mạch điều khiển.
1) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác.
2) Khâu so sánh.
3) Khâu xử lý tín hiệu.
4) Khâu logic phân xung.
5) Khâu tạo trễ.
6) Khâu cách ly.
7) Khâu tạo điện áp đóng mở van.
8) Khâu phản hồi
B tính toán thiết kế
Chơng IV: thiết kế mạch lực
I. Tính chọn diode công suất.
II. Chọn van IGBT.
III. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu một chiều cấp điện cho động cơ điện
một chiều kích từ độc lập .
Chơng V: thiết kế mạch điều khiển
I. Khâu tạo dao động và khâu tạo răng ca.
II. Khâu so sánh.
III. Khâu xử lý tín hiệu.
IV. Khâu lôgic phân xung.
V. Khâu tạo trễ.
VI. Khâu cách ly.

VII.Khâu tạo điện áp đóng mở IGBT
VIII. Khâu phản hồi tốc độ và dòng điện.
Chơng VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển
I. Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi.
Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.

4

30
30
31
31
32
32
33
33
34
35
35
37
37
37
38
39
42
42
43
43
44
45

46
47
48
50
50
54


A cơ sở lý thuyết
A cơ sở lý thuyết
Chơng I
Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn đợc coi là một loại máy
quan trọng, không thể thiếu. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay
dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất
định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ
quay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy
điện...). Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ không đồng bộ
hay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo
quản cổ góp phức tạp hơn ... nhng do những u điểm của nó mà máy điện một chiều
vẫn đóng vai trò 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 tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau. Song u điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nh bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi phí
các thiết bị biến đổi đi kèm (nh 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 lợng cao.
Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75% ữ 85%, động cơ điện có
công suất trung bình và lớn khoảng 85% ữ 94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện

một chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V. Hiện
nay, hớng phát triển là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của
động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn. Với trình độ hiểu biết còn hạn
chế, quyển đồ án môn học này 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 bằng nam châm vĩnh
cửu theo nguyên tắc không đối xứng.
I. Vài nét tổng quan về máy điện 1 chiều.
1. Cấu tạo của máy điện một chiều.
Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2 phần chính là phần tĩnh
và phần quay.
a. Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích
từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon ghép lại. Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép khối. Dây
quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng có bọc cách điện.
- Cực từ phụ: đợc đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
của cực từ phụ thờng đợc làm bằng thép khối. Dây quấn của cực từ phụ giống
nh dây quấn của cực từ chính.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác: nắp máy, cơ cấu chổi than
b. Phần động (roto): gồm có những bộ phận sau:

5


A cơ sở lý thuyết
- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thờng dùng bằng những lá thép kỹ thuật điện
có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây
nên.
- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Dây quấn

phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ, dây
quấn phần ứng có tiết diện tròn còn trong máy điện cỡ trung bình và lớn, dây
quấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật.
- Cổ góp: còn đợc gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng
điện xoay chiều thành một chiều.
- Các bộ phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy
2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ: Khi đặt
vào trong từ trờng một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trờng sẽ
tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển
động. Chiều của từ lực đợc xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato, trong khe hở
không khí sẽ sinh ra từ thông. Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dây
phần ứng đặt trong roto, thì dới tác dụng của từ trờng này trong dây quấn sẽ sinh
ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay. Vì vậy, chiều quay của máy trùng
với chiều quay của momen điện từ. Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ do
lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện từ có
giá trị f = B.l.i
3. Phân loại các động cơ điện 1 chiều.
Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà ngời ta phân các loại động cơ điện
một chiều theo các loại sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ 1 chiều có cuộn kích từ
đợc cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto. Thờng là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ đợc thuận
lợi và kinh tế hơn. I = I
- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng đợc
cấp điện bởi cùng một nguồn điện. I = I + It .
- Động cơ một chiều kích từ 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 =It. Động cơ loại này đợc sử dụng rất nhiều chủ yếu trong
nghành kéo tải bằng điện.

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo ra do tác dụng đồng thời
của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp. I = Iu +It.
Mỗi loại động cơ trên sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển
và ứng dụng tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
4. Các đại lợng định mức.
Chế độ làm việc định mức đợc đặc trng bằng những đại lợng ghi trên nhãn máy và
gọi là những lợng định mức. Trên nhãn máy thờng ghi những đại lợng sau:
Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đa ra ở đầu trục máy.
Điện áp định mức Uđm (V).
Dòng điện định mức Iđm (A).
Tốc độ định mức nđm (vg/phút).
6


A cơ sở lý thuyết
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu
về điều kiện sử dụng
II. Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.
1. Giới thiệu động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMDC).
Khi cuộn dây kích thích trong Stato của máy điện một chiều bình thờng đợc
thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu thì máy điện đó trở thành máy điện một
chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Nhờ cấu tạo này mà động cơ PMDC có
kích thớc nhỏ gọn, giá thành rẻ và làm việc hiệu quả hơn những máy điện có cuộn
dây kích thích bình thờng khác. Mạch từ của động cơ 1 chiều và kích thớc của
nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng để làm nam châm vĩnh
cửu. Vật liệu để làm nam châm vĩnh cửu
trong máy điện 1 chiều gồm có alnicos,
ferit, và các vật liệu quý hiếm nh
samarium coban và neođim sắt
Bo. Nam châm vĩnh cửu làm bằng ferit đợc sử dụng nhiều trong máy điện 1 chiều

giá rẻ. Còn đối với máy điện một chiều
yêu cầu chất lợng, hiệu suất cao thì sử
dụng vật liệu quý hiếm.
Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC
đợc ứng dụng rộng rãi và luôn đợc cải tiến
H1. Cấu tạo đơn giản
phát triển liên tục. Ngày nay đã có những
của động cơ PMDC
loại máy PMDC có thể di chuyển dễ dàng
và không cần phải sử dụng đến ổ cắm
điện vì nó có thể đợc cung cấp năng lợng từ những loại pin. Điểm thuận lợi là
những loại pin này có dung lợng lớn, lâu hết năng lợng và có thể xạc nhiều lần.
PMDC có thể đáp ứng đợc những yêu cầu sau:
- Hoạt động đơn giản.
- Có thể dự đoán chính xác đặc tính làm việc của động cơ.
- Mômen quay và mômen khởi động lớn và có thể giảm tốc độ nhanh chóng.
- Đặc tính điều chỉnh tốc độ rõ ràng.
- Kích thớc nhỏ gọn.
- Tiết kiệm năng lợng vì nó cần ít năng lợng cung cấp cho mạch kích từ, thờng là
điện áp thấp lấy từ pin.
Các động cơ PMDC đợc dùng thay thế cho nhiều động cơ xoay chiều ở những
nơi có yêu cầu cao về điều khiển và đợc sử dụng nhiều trong các hệ thống không
dây. PMDC đợc dùng nhiều trog các thiết bị hoạt động bằng pin nh xe lăn đến các
thiết bị vận chuyển hay để mở cửa, thiết bị hàn, hệ thống phát tia X, thiết bị bơm
Các động cơ PMDC là giải pháp tốt nhất trong việc điều chỉnh truyền động các
thiết bị truyền năng lợng có kích thớc nhỏ gọn, dải điều chỉnh tốc độ lớn, có khả
năng thích ứng với những biến động của nguồn điện cung cấp.
Nhu cầu ứng dụng của động cơ PMDC ngày càng phát triển và các sản phẩm
thờng sử dụng động cơ PMDC là:
- Bơm động học thủy lực.

- Cần trục và thang máy động lực.
7


A cơ sở lý thuyết
- Các phơng tiện nâng, nhấc.
- Các hệ thống chạy bằng năng lợng mặt trời.
- Và bất kỳ các thiết bị nào có thể hoạt động bằng pin
Động cơ PMDC phù hợp với các thiết bị dùng động cơ bánh răng do chúng có
thể sinh ra momen quay lớn ở tốc độ thấp. Động cơ PMDC đặc biệt phù hợp với
việc điều chỉnh tốc độ và các thiết bị điều khiển tự động (với các thiết bị này,
động cơ PMDC sẽ làm việc ít nhất là 5000 v/p).
Vì động cơ điện PMDC đợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên ta có thể coi
đây thuộc loại động cơ kích từ độc lập và trong đề tài này ta chỉ xét các đặc điểm
của động cơ kích từ độc lập.
2. Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập.
Khi động cơ làm việc, roto mang cuộn ứng quay trong từ trờng của cuộn cảm nên
trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản
điện động) có chiều ngợc với chiều của điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phơng
trình điện áp ở mạch rôto sẽ là:
U = E + I .R
Trong đó:
U điện áp lới, V.
E sức điện động của động cơ, V.
I dòng điện phần ứng của động cơ, A.
E
R điện trở toàn bộ mạch phần ứng,
.
R

= R + Rp
RP điện trở phụ trong mạch phần ứng, .
R điện trở mạch phần ứng, .
R = r + rct + r cb + rcp
r - điện trở cuộn dây phần ứng, .
rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp,
rcb - điện trở cuộn bù,
rcP - điện trở cuộn phụ,
Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto: E = k
Trong đó:
- từ thông qua một cực từ, Wb.
- tốc độ góc của roto, rad/s.
p.N
k hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: k =
2a
với:
p số đôi cực từ chính.
N số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
a số mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Nhờ lực từ trờng tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quay dới tác dụng của momen quay.


8


A cơ sở lý thuyết
M = kI
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
R
U

=

M
k ( k) 2
3. Đờng đặc tính cơ.
R
U

M có dạng một hàm bậc nhất
Phơng trình đờng đặc tính cơ =
k ( k) 2
y=B + Ax, nên đờng biểu diễn trên hình vẽ H.2 là một đờng thẳng với độ dốc âm.
Đờng đặc tính cắt trục hoành 0 tại điểm có
U
tung độ o =
. Tốc độ o là tốc độ ứng với
k
MC = 0, nghĩa là khi không có lực cản nào cả.
Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể
đạt ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra
MC = 0 (do lực masat luôn tồn tại khi động cơ
quay). Tốc độ o đợc gọi là tốc độ không tải lý
tởng.
Khi toàn bộ các thông số điện của động
cơ là định mức nh thiết kế và không mắc thêm
điện trở phụ vào mạch động cơ thì R = R và
phơng trình đặc tính cơ sẽ là:
U
R
= dm

M
c
k dm ( k dm ) 2
đờng đặc tính cơ lúc này gọi là đờng
đặc tính cơ tự nhiên biểu diễn trên hình đm
vẽ.
Điểm A trên hình vẽ gọi là điểm làm
việc định mức. Ngời ta đa thêm đại l-



Tạ
o
Đặc tính cơ của động cơ điện một
U

chiều kích từ độc lập.

ĐK


A

o =

U dm
k dm
M

So

sá
nh
Tạ
o
xu
ng
ră
ng
ca
Tạ
o
da
o
độ
ng

C
á
M
nm
c
M
ợng =
để đánh giá độ cứng. Đặc
h
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một

ly
chiều kích từ độc lập.
q

tính càng dốc càng cứng ( càng lớn)
u
tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc
a
độ biến đổi ít và ngợc lại. Đặc tính càng ít dốc
n
g
càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ
biến đổi nhiều thay đổi.
Phơng trình đặc tính cơ còn đợc viết dới dạng:
= o
Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:
R
M =
M
( k dm ) 2
9

Mđm


A cơ sở lý thuyết
Mm.n và In.m gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị
mômen lớn nhất và dòng điện ngắn nhất của động cơ khi đợc cấp điện đầy đủ mà
tốc độ bằng 0. Ta có:
U
U
M nm = k dm dm = k dm I nm và I nm = dm
R
R

Dòng điện Inmthờng = (10 ữ 20)Iđm. Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tợng tồn tại kéo dài. Do đó, khi mở máy phải thêm điện trở phụ R p vào mạch rôto
để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại, cần phải
nhanh chóng cắt điện.
4. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập.
(Bằng cách điều chỉnh các thông số điện)
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của động
cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Phơng pháp này cho phép tăng
điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ ( I kt I ktdm ). Do
đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, các đặc tính dốc
hơn và có tốc độ không tải lớn hơn.
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm:
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc
độ động cơ càng lớn.
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D 3 : 1
- Chỉ thay đổi đợc tốc độ về phía tăng theo phơng pháp này.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau
và do vậy, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm. Còn với tải
lớn, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải. Thực tế, phơng pháp này chỉ sử
dụng với tải không quá lớn so với định mức.
- Phơng pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ
với dòng kích từ là (1 ữ 10) % dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh
thấp.
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.
Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phơng trình đặc tính cơ trở
thành:
n
(R + R f )
n = no

M
Rf = 0
k
no
Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ
dốc hơn nhng vẫn giữ nguyên tốc độ không
Rf1
tải lý tởng. Trên hình vẽ bên, ta có các đờng
đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của
Rf2
Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự
Rf3
nhiên.
0

Nhận xét:
10

Mđm(Iđm)

M(I)


A cơ sở lý thuyết
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phơng pháp này chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng
thêm điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứn nên tổn hao công
suất dới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn.

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải. tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh
max
càng nhỏ. Phơng pháp này thờng cho D 5 ữ 1
min
- Về nguyên tắc, phơng pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở
nhng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn và thờng
sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này. Vì phơng pháp này chỉ
cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luôn kèm
theo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì
vậy phơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thờng
dùng ở động cơ điện trong cần trục.
c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
Phơng pháp này chỉ áp dụng đợc đối với
n
động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập hoặc động
n04
cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ
kích thích độc lập. Khi thay đổi U ta có một họ n01
4
đặc tính cơ có cùng một độ dốc (hình vẽ ).
n02
1 (Uđm)
Trên hình vẽ: đờng 1 ứng với Uđm, đờng n
03
2
2, 3 ứng với Uđm > U2 > U3 và đờng 4 ứng
với U4 > Uđm.
3
Vì không cho phép vợt quá điện áp định mức

nên phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh
M(I)
0
giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ
Mđm(Iđm)
định mức không đợc áp dụng hoặc đợc thực
hiện trong một phạm vi rất hẹp. Đặc điểm của phơng pháp này là lúc điều chỉnh
tốc độ, momen không đổi vì và I đều không đổi. Điện áp phần ứng càng giảm,
tốc độ động cơ càng nhỏ.
Chú ý: + Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng
không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống do đó có
thể nói phơng 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 0 max , K M , M dm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh
D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng
Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm nh sau:
D=

11


A cơ sở lý thuyết
- Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) nên
tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
- 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.

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh
xác định là nh nhau nên sai số tốc độ tơng đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp
nhất không đợc vợt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh. Phơng pháp này
có thể điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có một
bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra, xong nó là không đáng kể so với vai trò
và u đIểm của nó. Vậy nên phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi.
5. Các chế độ làm việc của động cơ.
a. Các góc phần t làm việc.
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ đ- II: Hãm
I: Động cơ
ợc phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần t t
ơng ứng với chiều mômen và tốc độ nh hình
MC
MC
vẽ.
- I; III: trạng thái động cơ ( cùng chiều
Pc = Md > 0
Pc = Md < 0
với M).
M
- II; IV: trạng thái hãm ( ngợc chiều với
M).
MC
MC
Công suất cơ Pcơ = Mđ.
Công suất điện của động cơ:
IV: Hãm
III: Động cơ
Pđ = Pcơ + P

Trong đó: P là tổn hao công suất.
Pc = Md < 0
b. các chế độ làm việc của động cơ điện Pc = Md > 0
một chiều kích từ độc lập.
- Khởi động.
Xuất phát từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều:
R
U
=

M
k ( k) 2
U
Khi khởi động có I mm = I nm = dm = (10 ữ 20) I dm tơng đối lớn. Đối với
R
động cơ có công suất càng lớn thì R thờng có giá trị càng nhỏ và dòng I nm càng
lớn. Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh
động cơ và gây sụt áp lới điện. Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐ thờng
phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thờng xuyên nh máy trục, máy cán đảo
chiều, thang máy lên xuốngVậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ
cấu truyền động cũng nh tránh ảnh hởng xấu tới lới điện, phải hạn chế dòng
điện khi mở máy, không cho vợt quá giá trị: Imm = (1,5 ữ 2,5).Iđm
Phơng pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khống chế
dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi động.
- Chế độ hãm:
12


A cơ sở lý thuyết
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ

quay. Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc và
hãm động năng.
+ Hãm tái sinh:
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng. Khi
đó U > E . Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới. So với
chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu
thức:
U E
ko k
Ih =
=
<0
R
R
M h = K..I h . 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 0 d > 0 . Vì sơ đồ đấu dây của mạch
động cơ không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng mômen có giá trị
âm. Đờng đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ hai và thứ t (hình vẽ trên).
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả về
lới điện có giá trị P = (E - U).I. Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ
sinh năng lợng hữu ích.
+ Hãm ngợc.
Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ
phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngợc chiều với mô men điện từ của
động cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản
xuất.
Hãm ngợc khi đa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính
hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lới, động cơ làm việc nh một
máy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năng thành
nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn.

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngợc chiều với chiều làm việc
của động cơ và có thể khá lớn
U E
Ih =
R + Rf
Nên phải hạn chế dòng trong phạm vi cho phép: Imm = (1,5 ữ 2,5).Iđm
+ Hãm động năng.
Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học
của động cơ đợc tích luỹ trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng
tiêu tán dới dạng nhiệt.
Hãm động năng tự kích từ độc lập: Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới
điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:
E
khd
I ht =
=
R + Rh R + Rh
M h = kI hd < 0
Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu. Năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.

13


A cơ sở lý thuyết
Nhợc điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm đợc do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục ngời ta sử dụng phơng pháp
hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra
khỏi lới điện khi động 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
hãm tốc độ vì vậy đặc tính cơ cũng nh đặc tính không tải của máy phát điện tự

kích thích là phi tuyến so với phơng pháp hãm ngợc. Hãm động năng có hiệu
quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động
năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu
thụ năng lợng từ lới và đặc biệt có thể sử dụng đợc kể cả khi mất điện.
- Đảo chiều quay động cơ.
Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện đợc xác định theo quy tắc bàn tay
trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo
chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngợc lại.
o
Vậy muốn đảo chiều quay của
Đ
động cơ điện một chiều có thể thực
0
M
hiện 1 trong 2 cách sau:
+ Hoặc đảo chiều từ thông (qua
Đ
việc đảo chiều dòng kích từ).
+ Hoặc đảo chiều dòng điện
phần ứng.
o
Đờng đặc tính cơ của động cơ
khi quay thuận và quay ngợc là đối
xứng nhau qua gốc tọa độ. (hình vẽ)
Phơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có
công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn,
hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phơng pháp này ít
dùng. Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số
0 có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt.
c. 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. ở đây ta sẽ chỉ xét trờng hợp phụ tải có mômen là
hằng số trong toàn dải điều chỉnh và đặc tính phụ tải là tuyến tính.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng đợc chọn là phù
hợp. giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển bằng
bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.







14


A cơ sở lý thuyết

Chơng II

Mạch băm xung một chiều
(còn gọi là mạch điều áp một chiều)

Điều áp một chiều là thiết bị nhằm điều chỉnh điện áp một chiều ra tải từ một
nguồn điện áp một chiều cố định.Để đóng cắt điện áp nguồn, ngời ta thờng dùng các
khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tơng ứng với khoá lý tởng, tức là khi khoá
dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trở
của nó lớn vô cùng (điện áp trên tải sẽ bằng không).
Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp 1 chiều đợc mô tả nh sau:
UR

K



UR

E
E

R

UR
0

t1

t

T

Trong khoảng thời gian 0 ữ t 1 , khoá K đóng lại, điện áp trên tải U R sẽ có giá trị bằng
điện áp nguồn (UR = E); còn khoảng t1 ữ T, khoá K mở ra và UR = 0.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
1

U R = E.dt = E = E.
T0
T
Trong đó:
- thời gian khoá K đóng.

- hệ số điều chỉnh.
T chu kỳ đóng cắt của khoá K.
Nhận xét: nguồn E có thể không đổi nhng có thể thay đổi đợc Ut nhờ thay đổi .
Có 3 phơng pháp điều chỉnh điện áp trên tải:

15


A cơ sở lý thuyết
1.
Giữ chu kỳ đóng cắt không đổi T = const; thay đổi thời gian
đóng khoá K: t1 (hay ). Phơng pháp này gọi là phơng pháp điều chỉnh độ rộng
xung PWM (pulse width modulation). Đây là phơng pháp thông dụng nhất hiện nay
và đợc ứng dụng rộng rãi nhất.
u điểm: làm việc với tần số không đổi (do chu kỳ không đổi) nên tham số của
hệ thống cũng ít thay đổi. Khi không thay đổi thì điện áp cũng không thay đổi.
2.
Giữ nguyên thời gian đóng khóa K: t1 = const; thay đổi tần số
đóng cắt T. Phơng pháp này gọi là phơng pháp băm xung kiểu điều chỉnh f (phơng
pháp xung tần); phơng pháp này ít dùng.
3.
Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K. thay đổi
thờng theo quy luật: dòng điện có cờng độ đập mạch ít nhất. Phơng pháp này gọi là
phơng pháp băm xung theo kiểu thời gian. Phơng pháp này ít đợc sử dụng nhất
trong cả 3 phơng pháp.
Nh vậy, bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ
tải. Nó có những u điểm cơ bản sau:
- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các
bộ biến đổi liên tục.
- Độ chính xác cao cũng nh ít chịu ảnh hởng của nhiệt độ môi trờng, vì yếu tố

điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các
phần tử điều chỉnh thờng gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục.
- Chất lợng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục.
- Kích thớc gọn, nhẹ.
Nhợc điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:
- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc
trong hệ thống kín.
- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiều cho nguồn cũng nh các thiết bị điều khiển.
Tuy nhiên, bộ biến đổi xung áp vẫn đợc ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố
về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng nh kích thớc là những tiêu chí đợc đặt
lên hàng đầu.
Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW), ngời ta thờng dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lỡng cực IGBT. Trong trờng
hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) ngời ta sử dụng GTO hoặc tiristo.
Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp một chiều , tuỳ thuộc vào cách
mắc khoá điện tử song song hay nối tiếp mà ngời ta chia các bộ biến đổi xung áp
thành nối tiếp hay song song.
Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra: bộ biến đổi xung áp có
điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào; bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp
vào.
Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà ngời ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo
chiều hoặc bộ biến đổi điện áp có đảo chiều.
Sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều.
Sơ đồ cấu trúci gồm các phần tử chủ yếu nh nguồn N, bộ lọc đầu vào L, khoá
E
điện tử (KĐT), bộ lọc đầu ra (LO) và phụ tải (PT) (cụ thể là động cơ một chiều).
Đ

N

L

16
KĐT

LO

PT


A cơ sở lý thuyết

Nguồn 1 chiều có thể là ăcquy hoặc bộ chỉnh lu.
Bộ lọc đầu vào thờng dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm. tụ C có thể đợc
thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lợng nh ăcquy.
Khoá điện tử (KĐT) ngày nay đợc dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiển
hoàn toàn.
Bộ lọc đầu ra (LO) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi xung áp một chiều đợc nêu ra ở đây chỉ sử dụng van điều khiển
hoàn toàn GTO, IGBT, BT.
I. Bộ biến đổi xung áp nối tiếp.
Sơ đồ nguyên lý nh sau:
Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá S
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 LC.
Đi-ôt mắc ngợc với Ud để thoát dòng
tải khi khoá S ngắt.
+ S đóng U đợc đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt áp

trên các van trong bộ biến đổi).
+ S mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng id do năng lợng tích luỹ
trong cuộn L và Ltải, dòng i chạy qua D, do đó ud = 0.
Nh vậy, Ud U. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud
=
U

II. Bộ biến đổi xung áp song song.
Sơ đồ nh 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.
17


A cơ sở lý thuyết
+ S đóng:
Dòng điện từ +U qua L S U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã đợc tích
điện trớc 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 = w

d
, có
dt

cùng cực tính U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud
1
=
U 1

III. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào.
Ti l ng c mt chiu
c thay bi mch tng
ng RLE. L1 đóng vai trò
tích luỹ năng lợng. C đóng vai
trò lọc.
Hoạt động.
+ S đóng, trên L1 có U, dòng
chạy từ +U S L1 -U.
Năng lợng tích luỹ trong cuộn
cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ
C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp đóng làm
D thông và năng lợng từ trờng nạp vào C, tụ C tích điện; ud sẽ ngợc 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 nguồn.
IV. B Chopper lp C (B o dũng).

Ti l phn ng ng c mt chiu kớch t c lp ó c thay bi mch
tng ng R-L-E.
a. Nguyên lý hoạt động.

Ch ng c:
Trong khong 0 t T ,
ng c c ni ngun
qua S1 , in ỏp t lờn
ng c l U.

18


A – c¬ së lý thuyÕt
Trong khoảng γT ≤ t ≤ T , S1 ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua D 2 , điện
áp đặt lên động cơ là 0.

Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT , S2 ngắt, động cơ được nối nguồn qua D1 , điện áp đặt
lên động cơ là U.
Trong khoảng γT ≤ t ≤ T , S2 dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua S2 , điện áp
đặt lên động cơ là 0.
b. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè trªn s¬ ®å.
Trong khoảng S1 ( D1 ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có:
di
Ri + L + E = U .
dt
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
U−E
−t τ

−t τ
.(1 − e
) + I min .e
R
Trong khoảng S2 ( D2 ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có:
di
Ri + L + E = 0 .
dt
(t −γT)
(t −γT)
Suy ra: i(t) = − E (1 − e τ ) + I max e τ
R
γT
−γT
 τ



U  e −1÷ E
U 1− e τ ÷ E
L
I min =
− ; I max =
− trong đó τ =
T
−
T
÷
÷ R
R  τ

R 
R
÷ R
τ ÷
e
−
1
1
−
e




i(t) =

T

γT

1
1
Điện áp trung bình trên động cơ: U d = ∫ u d dt = ∫ Udt =γU
T0
T0
U − E γU − E
=
Dòng điện trung bình: Id = d
R
R

T
γT
(1−γ )T

τ
τ
I −I
U 1+ e − e − e τ
Độ nhấp nhô dòng điện: ∆Id = max min =
T
2
2R 
e τ −1



÷
÷
÷


T
x2
≈ 1 nên sử dụng công thức tính gần đúng e x = 1 + x + ta được
τ
2
U
U
ΔId ≈
γ (1 − γ ) ⇒ ΔId max =

8fL
2fL

Do

Dòng trung bình qua S1 ( D1 ) là: I1 = γId
Dòng trung bình qua S2 ( D2 ) là: I 2 = (1 − γ )I d
V. Bộ đảo áp.
a. S¬ ®å nguyªn lý.
19


A – c¬ së lý thuyÕt
b. Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn.
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.
c. Nguyªn lý ho¹t ®éng.
T
Chế độ động cơ ( 0,5 < γ < 1 )Trong các khoảng 0 < t < T( γ − 0,5) và < t < γT
2
thì S1 và S2 cùng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động
di
cơ tăng từ I min tới Imax ta có phương trình: Ri + L + E = U .
dt
T
Trong các khoảng T( γ − 0,5) < t <
2
và γT < 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 I max xuống I min , ta có
di
+ E = 0.
dt
Các thông số của mạch
Biểu thức dòng tải
Trong khoảng 0 < t < T( γ − 0,5) :
§iện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax.
di
Phương trình dòng qua động cơ: Ri + L + E = U
dt
Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
U −E
−t τ
−t τ
i(t) =
.(1 − e
) + I min .e
.
R
T
Trong khoảng T( γ − 0,5) < t < : dòng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên
2
động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin.
di
Phương trình dòng qua động cơ: Ri + L + E = 0 .
dt
Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
− (t −β T)

− (t −βT)

E
τ
τ
i(t) = − 1 − e
trong đó β = γ − 0,5
÷+ I max e
R

T
0
Với điều kiện i(0) = i( ) = I
, dựa vào hai phương trình trên ta có:
min
2
phương trình Ri + L

20


A – c¬ së lý thuyÕt
−β T
 βT



U  e τ −1÷ E
U 1− e τ ÷ E
L

I min =
− ; I max =
− trong đó τ =
T
−
T
÷
÷ R
R  2 τ
R 
R
÷ R
2τ ÷
e
−
1
1
−
e




I −I
U
U
(2γ − 1)(1 − γ ) ≤
Độ nhấp nhô dòng điện: ∆I = max min ≈
d
2fL

16fL
2
T
2

Điện áp trung bình đặt trên động cơ: U d = 2 u d dt = 2
T ∫0
T

βT

∫ Udt = 2βU = (2γ − 1)U
0

U d − E (2 γ−1)U −E
=
R
R
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V
Dòng điện trung bình Id =

(2 γ−1)U −E
R
(2 γ−1)U −E
Dòng trung bình qua các diot: I 2 = (1 − γ )I d = (1 − γ )
R
Chế độ hãm tái sinh ( 0 < γ < 0.5 )
Trong khoảng 0 < t < γT động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điện qua
động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình:
Dòng trung bình qua các van S1, S2: I1 = γId = γ

di
= E (đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo
dt
chiều quay của động cơ). Giải phương trình trong khoảng xét ta được:
Ri + L

−t

−t

E
i(t) = (1 − e τ ) + I min e τ (1)
R
T
, động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1 và
2
D2, dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin,
di
Ta có phương trình Ri + L = E − U .
dt
Giải phương trình trong khoảng xét ta được:
Trong khoảng γT < t <

E−U
i(t) =
(1 − e
R

− (t −γT)

τ

) + I max e

− (t −γT)
τ

(2)

Điện áp trung bình đặt lên động cơ:
2
Ud =
T

T2

∫
0

2
u d dt =
T

T2

∫ (−U)dt = (2γ − 1)U

γT

21

A cơ sở lý thuyết
U d ( E) E (1 2 )U
=
R
R
Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 l: I1 = Id
Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2l: I 2 = (1 )Id
in ỏp ngc ln nht t lờn cỏc van l: U ng.max = U
Dũng in trung bỡnh l: Id =

VI. B băm xung 1 chiều có đảo chiều.
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 thờng hay dùng để cấp nguồn cho
động cơ một chiều kích từ độc lập có
yêu cầu đảo chiều quay. Các van
IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp
điểm. Các Điôt Đ1, Đ2, Đ3, Đ4 dùng
để trả năng lợng phản kháng về
nguồn và thực hiện quá trình hãm tái
sinh. Các phơng pháp điều khiển là:
Điều khiển độc lập, điều khiển đối
xứng, điều khiển không đối xứng.
a. Phơng 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 động cơ quay thuận cho S1, S2 dẫn, S3, S4 nghỉ.
+ Muốn động cơ quay nghịch cho S1, S2 nghỉ, S3, S4 dẫn.
b. Phơng pháp điều khiển đối xứng.
Điều khiển đối xứng là kiểu điều khiển các van theo cặp. Theo phng phỏp
iu khin ny cỏc cp van S1 v S2; S3 v S4 lp thnh hai cp van m trong
mi cp thỡ hai van c iu khin úng ct ng thi. Tớn hiu iu khin
c to ra bng cỏch so sỏnh in ỏp iu khin vi in ỏp ta (thng l
dng xung tam giỏc):
- Nu Udk > utua thỡ S1 v S2 c kớch dn; S3 v S4 c kớch tt.
- Nu Udk < utua thỡ S1v S2 c kớch tt; S3 v S4 c kớch dn.
Ch hot ng:
+ Trong khong 1: S1 v S2 c kớch dn, S3 v S4 c kớch tt, ng c
c ni vi ngun U, dũng qua phn ng tng n giỏ tr Imax.
+ Trong khong 2: S1v S2 c kớch tt, S3 v S4 c kớch dn, nhng do ti
cú tớnh cm khỏng nờn dũng in phn ng khộp mch qua D 3 v D4 v ngun,
S3 v S4 b t in ỏp ngc bi hai diode D3 v D4 nờn khoỏ, dũng id gim t
Imax v 0.

22


A – c¬ së lý thuyÕt
+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng
id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương).
+ Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do
trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng i d tiềp tục chảy theo chiều
cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược
bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó i d giảm theo chiều
ngược lại từ Imin về 0.
Tính toán các thông số của mạch:

+ Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thì điện áp
đặt lên động cơ là U, ta có phương trình: U = E + Ri d + L

di d
.
dt

với sơ kiện đầu i(0) = I min
−t
−t
U−E
L
.(1 − e τ ) + I min .e τ trong đó τ = .
Ta có: i(t) =
R
R
Trong khoảng γT < α < T , S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện áp đặt lên
động cơ là -U
di
Ri + L + E = − U .
ta có:
dt
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
− (t −γT)
− (t −γT)
(E + U)
(1 − e τ ) + I max e τ
R
γT
2U  e τ − 1 ÷ U + E

I min =
−
R  eT τ − 1 ÷
R



i(t) = −

2U  1 − e τ ÷ U + E
I max =
−
R  1 − e− T τ ÷
R


Điện áp trung bình trên động cơ
+ Trong khoảng 0điện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trung bình đặt lên động cơ là:
1
U d = [ γT × U − (T − γT) × (− U) ] = (2 γ − 1)U
T
U − E (2γ − 1)U − E
=
-Dòng điện trung bình qua động cơ là: Id = d
R
R
D
-Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các Diode là U ng.max = U
− γT

23


A cơ sở lý thuyết
-Giá trị dòng trung bình qua tải là

It =

-Dòng trung bình qua Điôt :

U
E
(2 1 )
R
U

1T
2.U (1 b 11 )(1 a 1 b 1 ) U
E
I D = i(t )dt =
(1 ) (1 )
T0
R T
1 a1
R
R


E

2.U . (1 ) U + E
U

(1 ) = (1 ) (2 1 ) = (1 ) I t
R
R
R
U

- Dòng trung bình qua van: Tơng tự ta có IS = It
- Điện áp ra tải có giá trị trung bình là Ut=(2-1)U
+Nếu = 0.5 thì Ut = 0
+Nếu > 0.5 thì Ut >0
+Nếu < 0.5 thì Ut <0
Nh vậy bằng cách thay đổi giá trị mà ta thay đổi đợc giá trị điện áp ra tải
và cả dấu của nó. Do đó sẽ đảo chiều quay của động cơ.
c. Phơng pháp điều khiển không đối xứng.
Đây là phơng pháp thông dụng nhất vì chất lợng điện áp ra tốt hơn. Giả sử
động cơ quay theo chiều thuận, tơng ứng với các cặp van S1, S2 làm việc; van S3
luôn khoá, còn van S4 sẽ đợc đóng mở ngợc pha với S1. (hình vẽ a, b, c, d). E t sđđ
của động cơ. Điện áp ra tải có dạng U t = U (hình vẽ e). Bộ BXMC có 3 trạng
thái làm việc:

24


A cơ sở lý thuyết


Trạng thái 1: (đồ thị dòng điện là hình vẽ f) U > Et: Động cơ làm việc ở góc

phần t thứ nhất. Năng lợng cấp cho động cơ đợc cấp từ nguồn thông qua các van
S1, S2 dẫn trong khoảng 0 ữ t1.
+Trong khoảng t1 ữ T: Năng lợng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện
theo chiều cũ và khép mạch qua S2, Đ4.
Trạng thái 2: U < Et: (đồ thị g) Chế độ làm việc ở góc phần t thứ 2 ( hãm)
+Trong khoảng 0 ữ t1: Động cơ trả năng lợng về nguồn thông qua các Điôt Đ1, Đ2
(IĐ1 = IĐ2 = It)
+Trong khoảng t1 ữ T: Dòng tải sẽ khép mạch qua S4 (S4 dẫn) và Đ2 (IĐ2 = IĐ4 = It)
Trạng thái 3: U = Et: (đồ thị h)
+Trong khoảng 0 ữ t0: Do Et > U nên động cơ sẽ hãm trả năng lợng về nguồn qua
Đ1 và Đ2 (iĐ1 = iĐ2 = it);
+Trong khoảng t0 ữ t1 : U > Et : Động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ động cơ.
Năng lợng từ nguồn qua S1, S2 cấp cho động cơ (iS1 = iS2 = it)
+Trong khoảng t1 ữ t2: S1 khóa, S4 mở. Năng lợng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp
cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2, Đ4 (iĐ2 = iĐ4 = it)
+Trong khoảng t2 ữ T: Khi năng lợng dự trữ trong điện cảm hết, sức điện động của
động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải khép mạch qua S 4, Đ2 (it =iĐ2 =iS4). Quá
trình này tạo ra sự tích luỹ năng lợng trong điện cảm và khi S4 bị khóa thì điện áp
trên tải > E và quá trình lại lặp lại nh ban đầu.
Mặc dù dòng điện tải đổi chiều, nhng do có sự tham gia của S4 và Đ4 vào quá
trình làm việc nên trong khoảng t1 ữ T, điện áp trên tải luôn bằng không. Do đó
25