Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ DC có đảo chiều

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Ngày.....tháng.....năm.....
Chữ ký giáo viên hướng dẫn

Trang 1


Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện - Điện Tử

MỤC LỤC

Trang 2


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Trang 3


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
đã dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Thành Hiếu đã tận tình hướng dẫn
chúng em trong thời gian làm đồ án.
Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện Đồ Án của chúng em không
thể tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng khảo thi bỏ qua và có hướng giúp
đỡ để chúng em có thể hoàn chỉnh đồ án của mình được hoàn chỉnh hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 4


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

LỜI NÓI ĐẦU
1.1. Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ và
nhanh chóng, để đạt được kết quả này có sự đóng góp rất lớn của ngành điện tử,
ngành tự động hóa. Và đang lấn dần vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và
đã đáp ứng được hầu hết nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các thiết bị điều khiển
với giá thành giảm, khả năng tối ưu hóa ngày càng cao đã mang lại những thay đổi
sâu sắc trong ngành điện tử.
Chúng em- những chủ nhân tương lai, muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa về
bộ môn điện tử công suất cũng như truyền động điện.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản
phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã được học.Trong đồ án
lần này, chúng em đã được thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ
động cơ 1 chiều có đảo chiều”. Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện
tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của
mình trên con đường đã chọn trong tương lai.
Trong thời gian thực hiện đề tài, dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua
một số sách, tài liệu có liên quan nhưng chúng em vẫn gặp một số vướng mắc về lý
thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm.Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự
giải đáp và hướng dẫn tận tình của thầy "Đỗ Thành Hiếu", chúng em đã hoàn thành khá
tốt đồ án lần này.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế
nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất
mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án của
chúng em được hoàn thiện hơn.

Trang 5


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Động cơ điện 1 chiều
2.1.1. Khái niệm
Động cơ điện nói chung và động cơ điện 1 chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay,
làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt vào trong từ trường 1 dây dẫn cho dòng điện chạy
qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn ) và làm dây dân
chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.
2.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ.

I

Hình 2.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ. Vì
vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn
sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N
và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn
sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là
động cơ kích từ độc lập.
Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây cuốn kích từ sinh ra từ
thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φmax tức
là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không
xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó Eư
= 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu
Trang 6


Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện - Điện Tử
mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay và suất
điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng
điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn.
*Cấu tạo chung:
Phần động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:
Phần tĩnh: Stato
Phần quay: Roto
* Stato: Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ
máy. Gắn với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận
sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác.

Hình 2.2 Cấu tạo stato
a. 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 được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cacbon dày 0.5 đến 1 mm
ép lại và tán chặt.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc
cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ. Các cuộn
dây này được nối nối tiếp với nhau.

Trang 7


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Trang 8

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
b.Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực
tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn, mà cấu tạo
giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các bulông.
c.Gông từ
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
d. Các bộ phận khác
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu chổi than.
-Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn
cho người khỏi chạm phải điện.
-Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi
than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố
định lên giá chổi than và cách điện với giá đó. Giá chổi có thể quay được để đưa vị trí chổi
than đúng chỗ.
*Roto: Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng, dây
quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác.

Trang 9


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Hình 2.3- Cấu tạo roto
a. Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày 0.5 mm bôi
cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.
b.Dây quấn phần ứng

Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilowatt) thường
dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật.
Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai
chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit.
c. Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều
thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica
dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V

Trang 10


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn
vào các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác
Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều thường được chế
tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục động cơ.
Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi
sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ.
Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ thường được
làm bằng thép cácbon tốt.
2.1.3 . Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ
a) Mở máy động cơ điện một chiều
Phương trình cân bằng điện áp: U=Eư + RưIư suy ra Iư= (U- Eư)/ Rư
Khi mở máy, tốc độ n=0 suy ra Eư = kE nfi =0 suy ra Iư= U/ Rư
Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư=(20¸25) Iđm, làm hỏng cổ góp, chổi

than và ảnh hưởng đến lưới điện.
Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp:
- Dùng biến trở mở máy RMở
Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy:
IưMở =U/( Rư+RMở).
Lúc đầu để biến trở RMở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy
giảm dần đến không (hình 2.1.3.a ).
- Giảm điện áp đặt vào phần ứng
Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp

Trang 11


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Hình 2.4 .Sơ đồ mở máy động cơ bằng giảm điện áp đặt vào phần ứng
*Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau:

n=

U − I u ( Ru + R f )
E
=
= n0 − ∆n
C e .θ
C e .θ

n=

hay

với

U

n0 = C .θ

e

I
∆n = u .( Ru + R f )

C e .θ

( Ru + R f ).M
U
−
C e .θ
C M C eθ 2

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông), R (điện
trở phần ứng), U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều
ta có ba phương án.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần
ứng
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
-Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ

Trang 12


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Hình 2.5. Sơ đồ thay thế

Hình 2.6. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi từ thông θ
Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với các giá trị
khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n 0 tăng nhưng ∆n còn tăng nhanh hơn do đó ta
mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau. Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên
trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư = (U/Rư). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ
lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này
là 1:2; 1:5; 1:8.
Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện pháp khống chế
đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng.
Trang 13


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
-Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng
n=

Ta có:

( Ru + R f ).M
U

−
C e .θ
C M C eθ 2

Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ thấy nữa là, do ta
chỉ có thể đưa thêm Rf chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc
độ định mức. Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay
đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc tính
cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn).

Hình.2.7. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ Rf
-Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 2.8.Sơ đồ khối

Trang 14


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy nhiên do cách
điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U. Khi
U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ
nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ.
Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từ
thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = CM. θ. Iư).
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có thể
đến 1:25.
Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi.
Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống, do đó có thể nói

phương pháp này điều khiển là triệt để.
Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống 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 mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và
nhỏ nhất của tốc độ là:

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn
mạch là:
Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen.Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song
nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

D=
Với xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của
độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các thiết bị
nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động
cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:

Trang 15


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen
không đổi.
Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở
chế độ kích từ độc lập.
Điều chỉnh động cơ DC bằng PWM chính là sử dụng phương pháp này

Hình 2.9. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp
Kết luận: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng

chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp

Uu

đặt

vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có
độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị hao tổn.
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
Để mở máy dùng biến trở mở máy RMở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc .
Đường đặc tính cơ n = fi(M)
n = (U - RưIư)/ kEfi (1)
Mặt khác: Mđt = kM Iư fi (2)
Trang 16


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
Từ (1) và (2) ta có:
n= U/ kEfi - RưM/ (kM kEfi2)
Thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có:
n= U/ kEfi - (Rư +Rp )M/ (kM kEfi2)

Hình 2.9. Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ song song
*Đặc tính làm việc
Các đường quan hệ giữa tốc độ n, mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất h theo công
suất cơ trên trục P2.
Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công
suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắt kim loại, máy công cụ.
2.2. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều

2.2.1. Đặt vấn đề
Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải. Nguyên lý
của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời
gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t 0 theo một chu kỳ lặp lại T. Bằng cách thay
đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải.

Trang 17


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu
suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ.
Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cách
mắc khoá điện từ 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, ví dụ như bộ
biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi
xung áp có 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 chiềuhoặc bộ biến đổi xung áp có đảo
chiều.
2.2.2. Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp 1 chiều

Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung
BX DC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đổi điện áp
trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu
trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có
khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm
xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng

lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ.

Trang 18


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã
tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru,
chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một
chiều công suất nhỏ.
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào
có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi.Với
một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:
-Thay đổi độ rộng xung.
-Thay đổi tần số băm xung.
*Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau.

Hình 2.12.Sơ đồ

Hình 2.13. Dạng sóng

a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T. Giá trị trung bình của điện áp ra
khi thay đổi độ rộng là:

Ud =

t1.U
= γ .U

T

Trong đó đặt:

t
γ= 1
T

Là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <ε≤ 1).
b. Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:

Ud =

t1
.U = t1.f.U
T
Trang 19


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
f =

Vậy Ud = U khi

1
t1

và Ud = 0 khi f = 0.

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng
xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.
c. Kết luận
Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse Width
Modulation), theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số. Việc điều khiển trạng thái
đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn
(thường là dạng tam giác (Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi. Nó sẽ thiết lập tần số đóng
cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 2kHz đến 200kHz. Khi U control >
Ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van.

Hình 2.14.Dạng sóng sau khi sử dụng phương pháp PWM
2.2.3 Các dạng băm xung cơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ:
a). Xung áp đảo dòng lớp B
Sơ đồ nguyên lý:

Trang 20


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
S2

Hình 2.15.SơD2
đồ nguyên lý xung áp đảo dòng lớp B
Tải là phần ứng độngS3
cơ một chiều kích từ độc lập được thay bởi mạch tương đương R-L-E.

*Nguyên lý hoạt động

D3

Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0 ≤ t ≤ , động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U.
Trong khoảng ≤ 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.
Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S 1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S 1 khoá dòng tải
được ngắn mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là liên tục ngay cả khi S1 khoá Để đảo chiều
dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do
quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn → E > 0. Lúc này
mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E ngắn mạch qua S 2→ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại
chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0.
Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức
điện động tự cảm (∆UL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn
US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.
Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D 1 tắt ta phát xung vào mở S 2
đồng thời với việc phát xung khoá S1.
b) Xung áp đảo áp lớp B

Trang 21

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Hình 2.16.Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo áp lớp B
S1,S2,S3,S4 là cá van điều khiển hoàn toàn. Trong sơ đồ này cho phép điều chỉnh và đảo chiều
quay của động cơ một cách linh hoạt, đặc tính làm việc cả ở 4 góc phần tư. Tuy nhiên, điều
khiển các van sẽ rất phức tạp, ở đây ta chỉ nêu ra sơ đồ chứ không nghiên cứu sâu.
c). Xung áp song song
Sơ đồ nguyên lý:

UD

Hình 2.17.Sơ đồ nguyên lý xung áp song song
Đặc điểm của sơ đồ này là L mắc nối tiếp với tải, khoá K 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.
+ k đóng: dòng điện từ +Uqua LS-U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U c (đã được tích điện từ trước
đó).
+ k ngắt: dòng điện từ +Uqua L DTải-U. Vì từ thông trong cuộn cảm L không giảm tức thời
về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm
eL= , có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: U d = U+eL. Như vậy ta có bộ biến đổi tăng
áp.
Đặc tính của bộ biến đổi này là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và năng
lượng truyền tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt: WI =

Trang 22

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử

Hình 2.18.Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ic và It
d).Xung áp nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý:

US

Is
It
UD1

Ut
ID1

Hình 2.19.Sơ đồ nguyên lý xung áp nối tiếp
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Transistor). Đặc điểm của sơ
đồ này là khoá K,cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm hoặc dung kháng. Bộ lọc
L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
Trang 23


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
+ K đóng: Us được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì U tải=Us (nếu bỏ qua sụt áp trên các
van).
+ K mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện i tải do năng lượng tích luỹ trong
cuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ura= Utải.
Như vậy, Utải tb Us. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

Đặc tính truyền đạt: WI = = .
Ut

Us

,
Hình 2.20. Đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục
Kết luận: trong đồ án này chúng em sử dụng xung áp nối tiếp do mạch điều khiển tốc độ
động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu bằng cách tăng giảm điện áp đặt vào động cơ thay đổi
từ 0v-24v.Do đó chúng em dùng xung áp nối tiếp để có thể hạ áp dòng từ 24v xuống 0v và để
dòng điện chạy vào động cơ không vượt quá 24v có thể gây ra quá tải, hỏng động cơ.

Trang 24


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện Tử
2.3. Phương pháp PWM
2.3.1.Giới thiệu về phương pháp PWM
Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp
điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ
rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để
điều khiển ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó
còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3
pha...PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt
là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến
tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hoặc là
sườn âm.

Hình 2.21. Dạng xung PWM
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn dương) nó thay
đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nó
được tính như sau : Độ rộng = (t1/T).100 (%)
Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên
hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :
Trang 25