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

Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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 c lp với các
thụng s:
Phơng

Điện áp c

Dòng điện

Phạm vi điều

án

quy ngun

định mức

chỉnh tốc độ

2

(V)
220

(A)

18

15:1

Giáo viên hớng dẫn: Ths. Phm Khỏnh Hng
Nhóm đồ án ĐTCS Lp 7LT- CN4
Sinh viên thực hiện:

V Tun Anh
Trn Bỏ t
Phm Triu Thun
Nguyn Minh Tun

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

1


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án
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 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 Ths. Phm Khỏnh Hng đã

Nhóm 5

Lớp: D7LT ĐCN4

2


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành quyển
đồ án môn học này.
Sinh viên thực hiện V Tun Anh
Trn Bỏ t
Phm Triu Thun
Nguyn Minh Tun

Mục lục
Nội dung

Tran
g

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

5
5
6
6

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

7
7
8

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)

Nhóm 5

Lớp: D7LT ĐCN4

6

8
10
11
12
15
20
23
23
24
25

3


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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
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.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

26
29
35
36
36
36
37
37
38
39
39
40
41
42
43
45
45
45
46
47
51
52
53
53
54
55
56
57
58

61
61
65

4


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án
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

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

5


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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:
-

Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thờng dùng bằng
những lá thép kỹ thuật điện có phủ cách điện mỏng 2

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

6


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

7


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất
-

Đồ án

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).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng pháp kích từ, dòng điện
kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

8


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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

H1. Cấu tạo đơn
giản của động
để làm nam châm vĩnh
cơ PMDC
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 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 đợc cung
cấp năng lợng từ những loại pin. Điểm thuận lợi là những loại

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

9


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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 bơmCác 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.

-

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

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

10


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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,

E

A.

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, .

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

11


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

R = r + rct + rcb+ 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.
k hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ:

k=

p.N
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.

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.
Phơng
tính

cơ

trình

=

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

đờng

R
U

M
k (k)2

đặc



có

12

Tạ
o
Đặc tính cơ của động cơ
U

điện một chiều kích từ Đ


S
o
sá
Trờng ĐH Điện Lực
Đồ án n
h
điện tử công suất
Tạ
o
x
dạng một hàm bậc nhất y=B + Ax, nên đờng biểu diễn trên
u
hình vẽ H.2 là một đờng thẳng với độ dốc âm. Đờng đặc
n
g
ră
U n
tính cắt trục hoành 0 tại điểm có tung độ o =
. Tốc
k g
c

độ o là tốc độ ứng với MC = 0, nghĩa là khi không có a
lực
Tạ
cản nào cả. Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể
o

d
đạt ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra M C = 0 (do
a
o
lực masat luôn tồn tại khi động cơ quay). Tốc độ o đợc gọi
đ
ộ
là tốc độ không tải lý tởng.
n
Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định
g

C
mức nh thiết kế và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch
á
động cơ thì R = R và phơng trình đặc tính cơ sẽ là:c
h
U dm
R
l
=

M
k dm (k dm)2
c
y
U
q
A
o = dm

đờng đặc tính cơ lúc
đm
u
k dm
này gọi là đờng đặc
a
Mn
tính cơ tự nhiên biểu
g
Mđm



diễn trên hình vẽ.

Điểm A trên hình vẽ
gọi là điểm làm việc

M

n

m
Đặc tính cơ tự nhiên của
động cơ
điện một chiều kích từ độc lập.

định mức. Ngời ta đa thêm đại lợng =

M

để đánh giá


độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( càng lớn) tức là
mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và ngợc
lại. Đặc tính càng ít dốc 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:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

13


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

M =

R
M
(k 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 đợc cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0.
Ta có:

M nm = k dm

U dm
U
= k dmI 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 Rp 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.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

14


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

-

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 (M 1) 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 (1ữ 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 = no

(R + R f )
M
k

n
Rf = 0

no

Rf1

Khi tăng điện trở mạch phần
Rf3

ứng, đặc tính cơ dốc hơn
nhng vẫn giữ nguyên tốc độ

0

không tải lý tởng. Trên hình

Rf2
Mđm(Iđ
m)

M(I)

vẽ bên, ta có các đờng đặc tính cơ ứng với các trị số khác
nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là 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.

Nhóm 5

Lớp: D7LT ĐCN4

15


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất
-

Đồ án

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 D =

max
càng nhỏ. Phơng pháp này
min

thờng cho D 5 ữ 1

-

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 động cơ
điện 1 chiều kích từ độc lập
hoặc động cơ điện kích
thích song song làm việc ở

n
n04
n01
n02
n03

1 (Uđm)
2

3

chế độ kích thích độc lập.
0

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

4

M(I)
Mđm(Iđm)

16


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ có cùng một độ
dốc (hình vẽ ).
Trên hình vẽ: đờng 1 ứng với Uđm, đờng 2, 3 ứng với
Uđm > U2 > U3 và đờng 4 ứng với U4 > Uđm.
Vì không cho phép vợt quá điện áp định mức nên phơng
pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ, việc
điều chỉnh tốc độ trên tốc độ 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:
- 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.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

17

Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

- 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

II: Hãm

thái động cơ đợc phân bố
trên đặc tính cơ ở góc

MC

phần t tơng ứng với chiều

Pc = Md < 0

mômen

và

tốc

độ

MC

Pc = Md > 0
M

MC

I; III: trạng thái động cơ

III: Động cơ

( cùng chiều với M).
-

I: Động
cơ

nh

hình vẽ.
-

II; IV: trạng thái hãm (

Pc = Md > 0

MC
IV: Hãm
Pc = Md < 0

ngợc chiều với M).
Công suất cơ Pcơ = Mđ.
Công suất điện của động cơ:
Pđ = Pcơ + P
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.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

18


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

Xuất phát từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ
điện 1 chiều:

=

R
U

M
k (k)2

Khi khởi động có I mm = I nm =

U dm
= (10ữ 20)I dm tơng
R

đối lớn. Đối với 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:
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:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

19


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất
Ih =

Đồ án
U E
ko k
=
<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 0d > 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

Ih =

U E
R + Rf

Nên phải hạn chế dòng trong phạm vi cho phép: Imm = (1,5

ữ 2,5).Iđm
Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

20


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

+ 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:

I ht =

E
khd
=
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.
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


động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới và đặc

hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm



biệt có thể sử dụng đợc kể cả khi mất điện. o
-

Đ

Đảo chiều quay động cơ.

Chiều từ lực tác dụng vào dòng

điện đợc xác định theo quy tắc
Đ
bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông

0

M



hay đảo chiều dòng điện thì từ lực

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4



o

21


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

có chiều ngợc 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.
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.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

22

Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

23


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

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;
UR
K

UR

E
R

E

UR
0

t1

t

T

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:
Trong khoảng thời gian 0ữ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên
tải UR sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn (U R = 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 .

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

24


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

Có 3 phơng pháp điều chỉnh điện áp trên tải:
1.

Giữ chu kỳ đóng cắt không đổi T = const;

thay đổi thời gian đóng khoá K: t 1 (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:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

25