Thiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

đồ án môn học
Lời nói đầu
Ngày 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 nước. Trong những thành tựu khoa
học – kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nước thành công, phải kể đến cả
những đóng góp của nghành tự động hoá trong cả đời sống, cũng như 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.
Chương I: Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.
Chương II: Động cơ điện một chiều kích từ Nam châm vĩnh cửu.
Chương III: Các mạch băm xung 1 chiều.
Chương IV: Mạch điều khiển cho bộ băm xung một chiều có đảo chiều
Phần B: Tính toán thiết kế.
Chương V: Thiết kế mạch lực.
Chương VI: Thiết kế mạch điều khiển.
Chương VII: Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển.
Chương 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 được sự phê bình, góp ý của các thầy
cô giáo và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoá
xncn, đặc biệt là Ths. Phạm Khánh Hưng đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng
em hoàn thành quyển đồ án môn học này.

1


đồ án môn học

Đề bài
Thiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều kích từ độc lập với các thụng số:
Phương
án
2

Điện áp ắc
quy nguồn
(V)
220

Dòng điện định
mức (A)

Phạm vi điều
chỉnh tốc độ

18

15:1

2

đồ án môn học

Mục lục
Nội dung
Tài liệu tham khảo
A. cơ sở lý thuyết
Chương 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 lượng 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. Đường đặc tính cơ.
4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập.
5. Các chế độ làm việc của động cơ.
Chương 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:
Chương III: Mạch điều khiển cho mạch băm xung 1 chiều
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.
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
30
30
31
31
32
32
33
33
34


đồ án môn học
7) Khâu tạo điện áp đóng mở van.
8) Khâu phản hồi
B – tính toán thiết kế
Chương IV: thiết kế mạch lực
I. Tính chọn diode công suất.
II. Chọn van IGBT.
III. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện
một chiều kích từ độc lập .
Chương V: thiết kế mạch điều khiển
I. Khâu tạo dao động và khâu tạo răng cưa.
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.
Chương VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển
I. Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi.
Chương VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.

4

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
Chương I
Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn được 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 như trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển
tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như 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 ... nhưng do những ưu 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 ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi
phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như 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 lượng cao.
Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75% ÷ 85%, động cơ điện
có công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 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, hướng 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 trường 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

5


A – cơ sở lý thuyết
thuật điện hay thép cacbon ghép lại. Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép
khối. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện.
- Cực từ phụ: được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
của cực từ phụ thường được làm bằng thép khối. Dây quấn của cực từ phụ
giống như 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:
- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thường 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 thường 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 được 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 trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường
sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển
động. Chiều của từ lực được 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 dưới tác dụng của từ trường 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 người 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 được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto.

6


A – cơ sở lý thuyết
Thường là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ được
thuận lợi và kinh tế hơn. Iư = I
- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được
cấp điện bởi cùng một nguồn điện. I = Iư + 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 = Iư =It. Động cơ loại này được sử dụng rất nhiều chủ yếu
trong nghành kéo tải bằng điện.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được 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 tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển
và ứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
4. Các đại lượng định mức.
Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn
máy và gọi là những lượng định mức. Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng
sau:
Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đưa ra ở đầu trục máy.
Điện áp định mức Uđm (V).
Dòng điện định mức Iđm (A).
Tốc độ định mức nđm (vg/phút).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương 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 thường được
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 thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và làm việc hiệu quả hơn những máy điện có
cuộn dây kích thích bình thường khác.
Mạch từ của động cơ 1 chiều và kích
thước 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
như samarium – coban và neođim – sắt –

7

H1. Cấu tạo đơn

giản của động cơ


A – cơ sở lý thuyết
Bo. Nam châm vĩnh cửu làm bằng ferit được sử dụng nhiều trong máy điện 1
chiều giá rẻ. Còn đối với máy điện một chiều yêu cầu chất lượng, hiệu suất cao
thì sử dụng vật liệu quý hiếm.
Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC được ứng dụng rộng rãi và luôn được
cải tiến phát triển liên tục. Ngày nay đã có những loại máy PMDC có thể di
chuyển dễ dàng và không cần phải sử dụng đến ổ cắm điện vì nó có thể được
cung cấp năng lượng từ những loại pin. Điểm thuận lợi là những loại pin này có
dung lượng lớn, lâu hết năng lượng và có thể xạc nhiều lần.
PMDC có thể đáp ứng được 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 thước nhỏ gọn.
- Tiết kiệm năng lượng vì nó cần ít năng lượng cung cấp cho mạch kích từ,
thường là điện áp thấp lấy từ pin.
Các động cơ PMDC được dùng thay thế cho nhiều động cơ xoay chiều ở
những nơi có yêu cầu cao về điều khiển và được sử dụng nhiều trong các hệ
thống không dây. PMDC được dùng nhiều trog các thiết bị hoạt động bằng pin
như 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 lượng có kích thước 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
thường sử dụng động cơ PMDC là:

- Bơm động học thủy lực.
- Cần trục và thang máy động lực.
- Các phương tiện nâng, nhấc.
- Các hệ thống chạy bằng năng lượng 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).

8


A – cơ sở lý thuyết
Vì động cơ điện PMDC được 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 trường 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 ngược với chiều của điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
Phương trình điện áp ở mạch rôto sẽ là:
U = E + I .R Σ
Trong đó:
U – điện áp lưới, V.
E – sức điện động của động cơ, V.
Iư – dòng điện phần ứng của động cơ, A.
R Σ – điện trở toàn bộ mạch phần ứng, Ω .
R

E

= Rư + Rp
RP – điện trở phụ trong mạch phần ứng, Ω .
Rư – điện trở mạch phần ứng, Ω .
R = r + rct + rcb+ rcp
Σ

rư - điện trở cuộn dây phần ứng, Ω .
rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp, Ω
rcb - điện trở cuộn bù, Ω
rcP - điện trở cuộn phụ, Ω
Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto: E = kφω
Trong đó:
φ - từ thông qua một cực từ, Wb.
ω - tốc độ góc của roto, rad/s.
p.N
k – hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: k =
2πa
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 trường tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quay
dưới tác dụng của momen quay.
M = kφI

9

A – cơ sở lý thuyết
Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
R Σ
U
ω=
−
M
kφ (kφ)2
3. Đường đặc tính cơ.
R Σ
U
−
M có dạng một hàm bậc nhất
kφ (kφ)2

Phương trình đường đặc tính cơ ω =

y=B + Ax, nên đường biểu diễn trên hình vẽ H.2 là một đường thẳng với độ dốc

ω

âm. Đường đặc tính cắt trục hoành 0 ω tại điểm
có tung độ ωo =

U
. Tốc độ ω o là tốc độ ứng
kφ

với 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 ω o được gọi là tốc độ không
tải lý tưởng.
Khi toàn bộ các thông số điện của động
cơ là định mức như thiết kế và không mắc thêm
điện trở phụ vào mạch động cơ thì R Σ = R và
phương trình đặc tính cơ sẽ là:
U
R
ω = dm −
M
kφ dm (kφ dm)2

ĐK

S
o
s
á
n
h
T
ạ
o
c
x
U dm
A ωo =
u

đm
kφ dm
n
g
ră
Mn
g
Mđm
M
c
n
ư
m
Đặc tính cơ tự nhiên của động
cơ ađiện
một chiều kích từ độc lập. T
ạ
o
lớn) tức
d
biến đổi
a
o
đ
ộ
n
g

ω

đường đặc tính cơ lúc này gọi là đường
đặc tính cơ tự nhiên biểu diễn trên hình
vẽ.
Điểm A trên hình vẽ gọi là điểm làm
việc định mức. Người ta đưa thêm đại
∆M
để đánh giá độ cứng.
∆ω
Đặc tính càng dốc càng cứng ( β càng
là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ
lượng β =

T
ạ
Đặc tính cơ của động cơ điện
o
một chiều kích từ độc lập.
U

10

C
á
c


h
l
y
q

A – cơ sở lý thuyết
u
a
ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng
n
tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.
g
Phương trình đặc tính cơ còn được viết dưới dạng:
ω = ωo − ∆ω
Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:
R Σ
∆M =
M
(kφ dm)2
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 được cấp điện đầy đủ
mà tốc độ bằng 0. Ta có:
U
U
M nm = kφ dm dm = kφ dmI nm và I nm = dm
R
R
Dòng điện Inmthường = (10 ÷ 20)Iđm. Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện
tượng 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 phương 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 φ .
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. Phương 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.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm:
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng 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 được tốc độ về phía tăng theo phương 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, phương pháp này chỉ sử
dụng với tải không quá lớn so với định mức.

11


A – cơ sở lý thuyết
- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ
với dòng kích từ là (1÷ 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 phương trình đặc tính cơ
n
trở thành:
(R + R f )
n = no −
M
Rf = 0

no
k
Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính
Rf1
cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ
không tải lý tưởng. Trên hình vẽ bên, ta có
Rf2
Rf3
các đường đặc tính cơ ứng với các trị số
khác nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là
M(Iư)
0
Mđm(Iđm
đặc tính cơ tự nhiên.
)
Nhận xét:
- 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.
- Phương 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 dưới 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
D=

ωmax
càng nhỏ. Phương pháp này thường cho D ≈ 5 ÷ 1
ωmin

- Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở

nhưng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn và
thường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này. Vì phương pháp này
chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn
kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ
điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và
thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

12


A – cơ sở lý thuyết
Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với
n
động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập hoặc động n
04
cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ n
01
4
kích thích độc lập. Khi thay đổi U ta có một họ n
02
1 (Uđm)
đặc tính cơ có cùng một độ dốc (hình vẽ ).
n03
2
Trên hình vẽ: đường 1 – ứng với Uđm,
3
đường 2, 3 ứng với Uđm > U 2 > U3 và đường 4
– ứng với U4 > Uđm.

M(Iư)
0
Vì không cho phép vượt quá điện áp định
Mđm(Iđm)
mức nên phương pháp này chỉ cho phép điều
chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp
dụng hoặc được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp. Đặc điểm của phương pháp
này là lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì φ và Iư đều không đổi. Điện áp
phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
Chú ý: + Phương 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 tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống do đó
có thể nói phương 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 ω 0 max , K M , M dm xác định vì vậy phạm vi điều
chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm như sau:
- Hiệu suất điều chỉnh cao (phương 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 như nhau nên sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp
nhất không được vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh. Phương pháp
này có thể điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Tuy vậy phương 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 ưu đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.

13


A – cơ sở lý thuyết
5. Các chế độ làm việc của động cơ.
a. Các góc phần tư làm việc.
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ II: Hãm
I: Động
ự
được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần
cơ
MC
tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ
MC
như hình vẽ.
Pc = Mdự >
Pc = Mdự <
- I; III: trạng thái động cơ ( ω cùng chiều
0
0
M
với M).
MC
- II; IV: trạng thái hãm ( ω ngược chiều
MC
với M).
IV: Hãm
III: Động cơ

Công suất cơ Pcơ = Mđ. ω
Công suất điện của động cơ:
Pc = Mdự >
Pc = Mdự <
Pđ = Pcơ + ∆ P
0
0
Trong đó: ∆ P là tổn hao công suất.
b. các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Khởi động.
Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều:
R Σ
U
ω=
−
M
kφ (kφ)2
U dm
= (10÷ 20)I dm tương đối lớn. Đối
R
với động cơ có công suất càng lớn thì Rư thường có giá trị càng nhỏ và dòng Inm
càng lớn. Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh
động cơ và gây sụt áp lưới điện. Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐ
thường phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như máy trục, máy
cán đảo chiều, thang máy lên xuống…Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và
các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lưới điện, phải hạn
chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt quá giá trị: Imm = (1,5 ÷ 2,5).Iđm
Phương pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khống
chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động.
- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ
quay. Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và
hãm động năng.
+ Hãm tái sinh:
Khi khởi động có I mm = I nm =

14


A – cơ sở lý thuyết
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi đó Uư > Eư . Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới.
So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo
biểu thức:
U −E
kφωo − kφω
Ih =
=
<0
R
R
M h = K .Φ.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 ω0d > ω0 . Vì sơ đồ đấu dây của mạch
động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá
trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình vẽ
trên).
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả
về lưới điện có giá trị P = (E - U).I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì
động cơ sinh năng lượng hữu ích.
+ Hãm ngược.

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ
phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược 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 ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính
hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, động cơ làm việc như
một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới 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 ngược 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 ÷ 2,5).Iđm
+ Hãm động năng.
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học
của động cơ được tích luỹ trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện
năng tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Hãm động năng tự kích từ độc lập: Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi
lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:

15


A – cơ sở lý thuyết
I ht =

−E
kφωhd
=

R + Rh R + Rh
M h = kφI hd < 0

Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ
yếu được tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục người ta sử dụng phương
pháp hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích
từ ra khỏi lưới 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 như đặc tính không tải của máy phát
điện tự kích thích là phi tuyến so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng
có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm
động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì
không tiêu thụ năng lượng từ lưới và
đặc biệt có thể sử dụng được kể cả khi
mất điện.
ωo
- Đảo chiều quay động cơ.
Đ
Chiều từ lực tác dụng vào dòng
0
M
điện được xác định theo quy tắc bàn
Đ
tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay
đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều
− ωo
ngược lại.
Vậy muốn đảo chiều quay của

động cơ điện một chiều có thể thực hiện 1 trong 2 cách sau:
+ Hoặc đảo chiều từ thông (qua việc đảo chiều dòng kích từ).
+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng.
Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối
xứng nhau qua gốc tọa độ. (hình vẽ)
Phương 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 phương pháp này
ít dùng. Ngoài ra, dùng phương 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.

ω

ω

ω

16


A – cơ sở lý thuyết
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 trường 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 được chọn là
phù hợp. giải pháp mà người ta thường 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.

Chương 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, người ta thường dùng
các khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, 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).

17


A – cơ sở lý thuyết

UR
K

λ

UR

E
E

R

UR
0

t1

t

T

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp 1 chiều được mô tả như sau:

Trong khoảng thời gian 0÷ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải U R sẽ có giá trị
bằng điện áp nguồn (UR = E); còn khoảng t1 ÷ T, khoá K mở ra và UR = 0.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
1λ
λ
U R = ∫ E.dt= E = E.γ
T0
T
Trong đó:
λ - thời gian khoá K đóng.
γ - hệ số điều chỉnh.
T – chu kỳ đóng cắt của khoá K.
Nhận xét: nguồn E có thể không đổi nhưng có thể thay đổi được Ut nhờ thay đổi γ .
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp trên tải:
1.
Giữ chu kỳ đóng cắt không đổi T = const; thay đổi thời gian
đóng khoá K: t1 (hay λ ). Phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh độ rộng
xung PWM (pulse width modulation). Đây là phương pháp thông dụng nhất hiện
nay và được ứng dụng rộng rãi nhất.

18


A – cơ sở lý thuyết

ưu điểm: làm việc với tần số không đổi (do chu kỳ không đổi) nên tham số của
hệ thống cũng ít thay đổi. Khi ω 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. Phương pháp này gọi là phương pháp băm xung kiểu điều chỉnh f
(phương pháp xung tần); phương pháp này ít dùng.
3.
Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K. thay đổi
thường theo quy luật: dòng điện có cường độ đập mạch ít nhất. Phương pháp này
gọi là phương pháp băm xung theo kiểu thời gian. Phương pháp này ít được sử
dụng nhất trong cả 3 phương pháp.
Như vậy, bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ
tải. Nó có những ưu 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 như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu
tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các
phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục.
- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục.
- Kích thước gọn, nhẹ.
Nhược 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 như các thiết bị điều khiển.
Tuy nhiên, bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố
về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được
đặt lên hàng đầu.
Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW),
người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT. Trong
trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người 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 người 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 người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo
chiều hoặc bộ biến đổi điện áp có đảo chiều.

19


A – cơ sở lý thuyết
Sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều.
Sơ đồ cấu trúc gồm các phần tử chủ yếu như nguồn N, bộ lọc đầu vào L, khoá
điện tử (KĐT), bộ lọc đầu ra (LO) và phụ tải (PT) (cụ thể là động cơ một chiều).

i

E

Đ

N

L

KĐT

LO

PT

Nguồn 1 chiều có thể là ăcquy hoặc bộ chỉnh lưu.
Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm. tụ C có thể
được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ăcquy.
Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được 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 được 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 như sau:
Phần tử điều chỉnh quy ước 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 ngược với Ud để thoát dòng tải khi khoá S ngắt.
+ S đóng ⇒ U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì u d = U (nếu bỏ qua sụt
áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ S mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i d do năng lượng tích
luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng i chạy qua D, do đó ud = 0.

20


A – cơ sở lý thuyết
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud
=α
U

II. Bộ biến đổi xung áp song song.
Sơ đồ như 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.
+ S đóng:
Dòng điện từ +U qua L → S → – U. Khi
đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước 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

dΦ
,
dt

có 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 lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
WI =

Ud

1
=
U 1− ε

III. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào.
Tải là động cơ một chiều
được thay bởi mạch tương
đương RLE. L1 đóng vai trò
tích luỹ năng lượng. C đóng
vai trò lọc.
Hoạt động.
+ S đóng, trên L1 có U, dòng
chạy từ +U → S → L1 → -U.

21


A – cơ sở lý thuyết
Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L 1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua
tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng
làm D thông và năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; u d sẽ ngược 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. Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dũng).
Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đó được thay bởi mạch
tương đương R-L-E.
a. Nguyên lý hoạt động.


Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT ,
động cơ được nối nguồn
qua S1 , điện áp đặt lên
động cơ là U.
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 hóm tỏi 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. Tính toán các thông số trên sơ đồ.
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)
E
τ
Suy ra: i(t) = − (1 − e
) + I max e τ
R
i(t) =

22


A – cơ sở lý thuyết
−γT
 γτT



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 
γT
T
1
1
Điện áp trung bỡnh trờn động cơ: U d = ∫ u d dt = ∫ Udt =γU
T0
T0
U − E γU − E
=
Dũng điện trung bỡnh: Id = d
R
R
T
γT
(1−γ )T

τ
τ
I max − Imin
U 1+ e − e − e τ
∆
I
=

=
Độ nhấp nhô dũng điện:
d
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

Dũng trung bỡnh qua S1 ( D1 ) là: I1 = γId

Dũng trung bỡnh qua S2 ( D2 ) là: I 2 = (1 − γ )Id
V. Bộ đảo áp.
a. Sơ đồ nguyên lý.
b. Nguyên tắc điều khiển.
Chu kỡ 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 ó.
c. Nguyên lý hoạt động.
T
Chế độ động cơ ( 0,5 < γ < 1 )Trong cỏc khoảng 0 < t < T( γ − 0,5) và < t < γT
2
thỡ S1 và S2 cựng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dũng điện qua
di
động cơ tăng từ I min tới Imax ta có phương trỡnh: Ri + L + E = U .
dt
T
Trong cỏc khoảng T( γ − 0,5) < t <
2
và γT < t < T thỡ S1 và S2 khụng đồng
thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn
mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp

23


A – cơ sở lý thuyết
dặt lên động cơ là 0,dũng điện qua động cơ giảm từ I max xuống I min , ta cú phương
di
+ E = 0.
dt
Cỏc thụng số của mạch

Biểu thức dũng tải
Trong khoảng 0 < t < T( γ − 0,5) :
Điện áp đặt lên động cơ là U. Dũng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax.
di
Phương trỡnh dũng qua động cơ: Ri + L + E = U
dt
Giải phương trỡnh 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 < : dũng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên
2
động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin.
di
Phương trỡnh dũng qua động cơ: Ri + L + E = 0 .
dt
Giải phương trỡnh 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
Với0 điều kiện i(0) = i( ) = I
, dựa vào hai phương trỡnh trờn ta cú:
min
2
−β T
 βτT



U  e −1÷ E
U 1− e τ ÷ E
L
I min =
− ; I max =
− trong đú 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 dũng điện: ∆I = max min ≈
d
2fL
16fL
2
trỡnh Ri + L

T
2

Điện áp trung bỡnh 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
Dũng điện trung bỡnh Id =

Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2: I1 = γId = γ

24

(2 γ−1)U −E
R


A – cơ sở lý thuyết
Dũng trung bỡnh qua cỏc diot: I 2 = (1 − γ )I d = (1 − γ )

(2γ−1)U −E
R

Chế độ hóm tỏi sinh ( 0 < γ < 0.5 )
Trong khoảng 0 < t < γT động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dũng điện qua
động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trỡnh:
di
= E (đối với sơ đồ này thỡ khi làm việc ở chế độ hóm tỏi sinh phải đảo
dt

chiều quay của động cơ). Giải phương trỡnh trong khoảng xột 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, dũng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin,
di
Ta có phương trỡnh Ri + L = E − U .
dt
Giải phương trỡnh trong khoảng xột 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 bỡnh đặt lên động cơ:
2
Ud =
T

T2

∫
0

2
u d dt =
T

T2

∫ (−U)dt = (2γ − 1)U

γT

U d − ( −E) E − (1 − 2 γ )U
=
R
R
Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 là: I1 = γId

Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2là: I 2 = (1 − γ )Id
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: U ng.max = U
VI. Bộ 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
Dũng điện trung bỡnh là: Id =

25