Thiết Kế Bộ Băm Xung 1 Chiều Có Đảo Chiều Để Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện 1 Chiều Kích Từ Độc Lập

Trêng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
Khoa ®iÖn
Bé m«n tù ®éng ho¸ XNCN

§å ¸n
®iÖn tö c«ng suÊt

Gi¸o viªn híng dÉn: Vâ Minh ChÝnh
Sinh viªn : Lª Ngäc T©m
Nhãm ®å ¸n §TCS 8 – Líp Tù ®éng ho¸ 3 – K46
Hµ Néi th¸ng 6 - 2004


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Đề bài
Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều để điều chỉnh
tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập với các thông số
sau:
Phơng
án
1
2
3
4
5

Điện áp acquy
(V)
120
220

100
400
600

Dòng điện
định mức (A)
20
8
15
6
10

Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
10:1
15:1
20:1
25:1
15:1

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm đồ án ĐTCS 8 Lớp TĐH3 K46
1. Võ Văn Quang
2. Bùi Xuân Dơng
3. Nguyễn Minh Đức
4. Trần Ngọc Dũng
5. Lê Ngọc Tâm
Giáo viên hớng dẫn: Võ Minh Chính.

2

Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Mục lục
Chơng
1

Chơng
2

Đề bài
Lời nói đầu
Giới thiệu về động cơ điện một chiều
1.1 Đặt vấn đề
1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
1.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một
chiều
1.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một
chiều.
1.3.1 Các góc phần t làm việc
1.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích
từ độc lập
1.3.3 Vấn dề phụ tải
Mạch băm xung
2.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC)
2.1.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung
2.1.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung
2.1.3 Nhn xét
2.2 Các s bm xung

2.2.1 S gim áp (Step-down (Buck))
2.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))
2.2.3 S bm o cc (Step-down/up (buckboost))
2.2.4 B Chopper lp C (B o dòng)
2.2.5 B Chopper lp D (b o ỏp)
2.2.6 B Chopper lp E
1. S nguyên lý
2. Các phng pháp iu khin
2.3 Kt lun
2.3.1 Chn mch lc
2.3.2 Chn phng pháp iu khin
2.3.3 Chn van bán dn
3


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Chơng
3
Chơng
4

Chơng
5

Thiết kế mạch lực
3.1. Tính toán chn van
3.1.1 Chn Diode cụng sut
3.1.2 Chn các van bán dn
Thiết kế mạch điều khiển

4.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
4.2. Nguyên lý chung của mạch điều khiển
4.3. IC TL494
4.4. IC 2SD106AI
4.4.1 Giới thiệu về IC SCALE driver
4.4.2 Chức năng bảo vệ của SCALE driver
4.4.3 Hoạt động của SCALE driver
4.5 Thiết kế nguồn mạch điều khiển
Mô phỏng
5.1 S tng th
5.2 Kt qu mô phỏng
5.2.1 Khi =0.8 (y=0.8)
5.2.2 Khi = 0.53 (y=0.53)
5.3 Nhn xét kt qu mô phng
5.4 Ph lc
Tài liệu tham khảo

4


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt –Lª Ngäc T©m – T§H3 K46

Lêi nãi ®Çu
Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động
cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không
ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất
và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng
cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều
khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung đảo
chiều điều khiển động cơ điện một chiều, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các

phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu
kinh tế. Với hy vọng đồ án là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong
thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ như việc lắp đặt bố trí thiết bị
Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng tuy nhiên do một số phần trong
đồ án là những công nghệ mới, tài liệu tham khảo chủ yếu bằng tiếng Anh hơn nữa
đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nên
không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý
của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề cũng như để đồ án được
hoàn thiện hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Minh Chính đã tận tình hương
dẫn giúp chúng em hoàn thành đồ án.
Nhóm sinh viên thực hiện.

5


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Chơng 1

Giới thiệu về động cơ điện một chiều
1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể
chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ
của nền sản xuất hiện đại. Trong sự phát triển đó ta cũng có thể
dễ ràng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và máy tiêu thụ
điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu đợc nếu
không muốn nói là chủ chốt. Nó luôn đi trớc một bớc làm tiền đề
nhng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ
thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền

sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính u việt của hệ thống điện xoay chiều: dể sản xuất, để
truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có
cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện
(động cơ điện) xoay chiều ngày càng đợc sử dụng rộng rãi và
phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí
nhất định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung
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...).
Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ
điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn 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 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 trong 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
6


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

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.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất

nhỏ khoảng 75% 85%, ở động cơ điện công suất trung bình
và lớn khoảng 85% 94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện
một chiều vào khoảng 100000 kW điện áp vào khoảng vài trăm
cho đến 1000V. Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu,
nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy
công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì
vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài
này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới
vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động
cơ một chiều kích từ độc lập. Phơng pháp đợc chọn là bộ băm
xung... đây có thể cha là phơng pháp mang lại hiệu quả kinh tế
cao nhất nhng nó đợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và
đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này.
1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
1.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nh máy phát
điện một chiều ngời ta phân loại theo cách kích thích từ các
động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện
loại:
- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ
lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn
một chiều độc lập nhau nên :
I = I.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô
cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ đợc mắc song song với
mạch phần ứng nên
I = Iu +It
- Kích thích 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.
- Kích thích hỗn hợp ta có:
7


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

I = Iu +It
Với mỗi loại động cơ trênlà tơng ứng với các đặc tính, đặc
điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tơng đối khác nhau
phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đên
động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu
hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này.
1.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập
*Phơng trình đặc tính cơ: là phơng trình biểu thị mối
quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng
chung:
Ru R f
U
u
.M
K
( K ) 2
Thông qua phơng trình này, ta có thể thấy đợc sự phụ
thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số
khác (mômen, từ thông...), từ đó đa ra phơng án để điều
chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất.
Với những điều kiện U = const, It = const thì từ thông của động
cơ hầu nh không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng.
Thờng dạng của đặc tính là đờng thẳng mà giao điểm với

trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung
ứng với tốc độ không tải của động cơ
M
Ngời ta đa thêm đại lợng
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.


o


t

0

Mt

Mn
m

M
8


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Để hiểu đợc nguyên lý và lựa chọn phơng pháp điều chỉnh
tối u, trớc hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan
hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ.
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành ở
chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và
không nối thêm các đIện kháng, điện trở vào động cơ). Trên
đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá
trị Mđm, đm.
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi
các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, ngời ta đa ra khái niệm độ
M
cứng của đặc tính cơ:
(tốc độ biến thiên mômen so với

vận tốc).
a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập
Sơ đồ kích từ độc lập đợc thể hiện nh dới đây:

Khi nguồn 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: gọi là động cơ điện kích từ độc lập.
Phơng trình đặc tính cơ xuất phát:
U u E u (R u R f )I u
+ U u : điện áp phần ứng
+ E u : sức điện động phần ứng (V)
9

Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

+ R u điện trở mạch phần ứng, cụ thể:
R u ru rct ri rcf

+ ru : điện trở cuộn dây phần ứng.
+ rcf : điện trở cuộn cực từ phụ
+ ri : điện trở cuộn bù
+ rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện
+ R f : điện trử phụ trong mạch phần ứng
+ I u : dòng điện mạch phần ứng
+ Eu : đợc xác định
Theo biểu thức
pN
Eu

2a
+ p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
+ a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
+ : từ thông kích từ dới một cực từ
+ : tốc độ góc, rad/s
Với:
K

pN
:hệ số cấu tạo của động cơ
2a

E u K e n

2n / 60 n / 9,55

Eu
Ke


pN
n
60a

K
0,105K
9,55

Uu R u R f

Iu
K
K

(*)

Biểu thức (*) là phơng trình đặc tính cơ điện của động
cơ. Mặt khác mômen kích từ của động cơ đợc xác định bằng
công thức:
10


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

M dt KI u
Suy ra
I u M dt / K

Thay vào (*) ta đợc
U
R Rf
u u
M dt
K (K) 2
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên
trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M.
Ta có
U
R Rf
u u
M
K (K ) 2
Đây là phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều kích từ độc lập. Đồ thị hình vẽ:


o


t

0

Mt

M

Mn
m

Nhận xét:

I u 0 hoặc M = 0 ta có

Uu
0 : tốc độ không tải lý tởng.
Ru Rf

U

= 0 thì I u R R I nm : dòng điện ngắn mạch
u
f
M KI nm M nm : mômen ngắn mạch



Uu
RI

0
K K

Uu R u R f

M 0
K (K ) 2

Trong đó:
11


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46
R R u R f
0

Uu
K



R
R
Iu
M
K
(K ) 2

Để tiện cho việc tính toán ngời ta đặt
*

*
I

M
R
;I
; M*
;R*
0
I dm
M dm
R cb

* 1 R * I *
* 1 R * M *

Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc
vào các đại lợng là: U, R, I. Nh vậy thông qua các đại lợng biến
thiên này mà ta có thể điều khiển đợc tốc độ động cơ điện
một chiều.
b) Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều
Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của
truyền động điện nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó
của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phơng pháp
thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động
điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ làm
việc của động cơ điện thờng bị thay đổi do sự biến thiên của
tải, và của nguồn, hay chế độ làm việc mở máy, hãm máy...và do
đó gây ra sai số so với tốc độ kỹ thuật mong muốn. Trong các hệ
thống truyền động điện thờng căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng đợc tính đến thiết kế
hoặc điều chỉnh động cơ điện.

Thực tế có 3 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều
+ Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay
đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ.
+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

12


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng đợc với động cơ điện một chiều kích thích
độc lập hoặc song làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại
này cần có thiết bị nguồn nh: máy phát điện một chiều kích từ
độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển có chức năng biến năng lợng
điện xoay chiều thành một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ
tín hiệu điều khiển Uđk.

Ta có phơng trình
E b E u Iu (R b R ud )


Eb
R R ud
b
R ud K dm Iu
K dm K đKm

0 ( U dk )

M


Vì từ thông của động cơ đợc giữ ko đổi nên đặc tính cơ
cũng ko đổi. Tốc độ không tải lí tởng tuỳ thuộc giá trị U dk của
hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phơng pháp này là
triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ
có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp
Uđk 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 , M dm , K M xác định vì vậy
phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

13


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46
M dm

M
min 0 min dm

M nm min M c max K M M dm
max 0 max

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của
dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là
M nm min M c max K M M dm ( K M : là hế số mômen quá tải). Họ đặc tính
cơ là các đờng thẳng song song nên
1 M dm

(K M 1)


0 max
M
1
0 max dm
M dm

D

(K M 1) M dm /
KM 1
Với 0 max , M dm , K M xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính
min (M nm min M dm )

vào . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một
chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch
phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó
có thể tính sơ bộ đợc:

0 max / M dm 10

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vợt quá 10, vậy với
yêu cầu của để bài ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải
điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp này rất thích hợp
trong những trờng hợp Mt = const trong toàn dải điều chỉnh.
b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ
Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều
chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện M KI u
. Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì
vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

14


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Từ sơ đồ trên ta đợc
iu

ek
d
k
rb rk
dt

rk : điệ n trở dây quấn phần ứng
rb : điện trở nguồn điện áp kích thích
k : số vòng dây cuộn kích từ.

Thờng khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng
Uđm do đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là
từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ
thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc
tính cơ tự nhiên).
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi
khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông dẫn
đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp
bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết quả là
mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ
nguyên I thì momen cơ cũng giảm đi rất nhanh.
b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phơng trình đặc tính (*)


Uu R u R f

I u (*)
K
K

Thực tế ngày nay ngời ta không dùng (ta chỉ đề cập qua).
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
15


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

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) Kết luận
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ
thông có nhiều hạn chế so với phơng pháp điều chỉnh điện áp
phần ứng phơng pháp thay đổi từ thông bị hạn chế bởi các
điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ
góp điện. Cụ thể phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có
các u điểm hơn nh sau
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là
tuyến tính, triệt để) hơn khi ta ding phơng pháp điều chỉnh
điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
2 - 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.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với
một mômen điều chỉnh xác định là nh nhau nên dải điều
chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao
và đòi hỏi phải có nguồn áp điều chỉnh đợc 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.
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.
1.3.1 Các góc phần t làm việc

16


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

II: hãm

II: động cơ
Mc



Pc=Md<0
II: động
cơ
M

Mc

Pc=Md>0
M
II: hãm
Mc

c

Pc=Md>0

Pc=Md<0

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ đợc phân bố trên đặc
tính cơ ở góc phần t tơng ứng với chiều mômen và tốc độ nh
hình vẽ.
+ I, III: trạng thái động cơ ( cùng chiều với M).
+ II, IV: trạng thái hãm ( ngợc chiều với M).

Công suất cơ Pcơ=Mđ..
Công suất điện của động cơ Pđ = Pcơ + P
(P: tổn hao công
suất)
1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
a) Khởi động
Xuất phát từ phơng trình đặ tính cơ của động cơ điện một
chiều


Uu R u R f

I u (*)
K
K

Khi khởi động, 0 0 nên I nm

U dm
ở động cơ công suất trung
R

bình và lớn thì R thờng có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động
ban đầu (dòng ngắn mạch) tơng đối lớn
I nm 2 2,5I dm

Với giá trị dòng lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch
và phát nóng của động cơ cũng nh sụt áp trên lới điện. Tác hại

17


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

này còn nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi
động (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tợng tơng tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với
chế độ khởi động. Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu
I nm 2 2,5I dm

Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phơng pháp điều
khiển giảm áp phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng
ngắn mạch o chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi
đông. Do điều khiển là làm giảm áp.
b) Chế độ hãm.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc
chiều tốc độ quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm:
hãm tái sinh, hãm ngợc, và hãm động năng.
b.1) Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không
tải lý tởng. Khi đó U u Eu . Động cơ làm việc nh một máy phát
điện song song với lới. So với chế độ động cơ, dòng điện và
mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức
U u E u K 0 K

0
R
R
Mà M h KIh , trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với

Ih

mômen phụ tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ
od 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
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.
Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ đợc
đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính
cơ nằm trong góc phần t thứ nhất. Khi muốn hạ tải phải đảo
chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu mômen
do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận
chuyển động của động cơ thì động cơ sẽ chuyển sang chế độ
hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới od 0
b.2) Hãm ngợc
18


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ
trong các bộ phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngợcchiều với mô men điện từ của động cơ, mômen của động cơ
khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
b.2.1) 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.
b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng
Dòng điện Ih ngợc chiều với chiều làm việc của động cơ và có
thể khá lớn
Ih

Uu Eu
Ru Rf

Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi
cho phép từ I nm 2 2,5I dm
c) 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 đợc trong quá trình làm
việc trớc đó biến thành điện năng tiêu tán dới dạng nhiệt.
c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều và
đóng vào một điện trở hãm
Eu
K hd

Ru Rh Ru Rh
M h KI hd 0
Chứng tỏ I hd và M hd ngợc chiều với tốc độ ban đầu. Năng lợng chủ
I hd

yếu đợc tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích
từ.
c.2) Hãm động năng tự kích
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 phờng 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 đông
cơ quay để đóng vào một đIện trở hãm. Trong quá trình hãm

19


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm
dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ nh đặc tính không
tải của máy phát điện tự kích thích và phi tuyến. So với phơng
pháp hãm ngợc. Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng
có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng u việt
hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm động năng tự kích vì
không tiêu thụ năng lợng từ lới. Sử dụng đợc kể cả khi mất điện.
1.3.3 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. Với các loại khác nhau ta sẽ
chọn phơng pháp phù hợp và tính toán khác nhau.có thể phân ra
thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản theo tốc
độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là
+ Không đổi: thang máy... (Đờng 1)
+ Tăng: nh trong quạt gió, bơm... (Đờng 2)
+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động
quay trục chính máy cắt gọt kim loại... (Đờng 3)
1

4
2
3

Ta thờng mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì
vấn đề thiết kế sẽ phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là
phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi. Nên ở đây ta sẽ chỉ
xét trờng hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều
chỉnh.
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 dó ra bằng bộ băm xung áp một chiều
mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.
20


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Chng 2

BM XUNG MT CHIU (BXDC)
2.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC):
BXDC cú chc nng bin i in ỏp mt chiu, nú cú u im l cú th
thay i in ỏp trong mt phm vi rng m hiu sut ca b bin i cao vỡ tn
tht ca b bin i ch yu trờn cỏc phn t úng ct rt nh.
So với các phơng pháp thay đổi điện áp một chiều để
điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều nh phơng pháp điều
chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến
đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lu có điều
khiển... thì phơng pháp dùng mạch băm xung có nhiều u điểm
đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm
năng lợng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo đợc trạng
thái hãm tái sinh của động cơ. 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,

21


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thớc nhỏ. Mạch
băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công
suất nhỏ.
in th trung bỡnh u ra s c iu khin theo mc mong mun mc dự
in th u vo cú th l hng s (c qui, pin) hoc bin thiờn (u ra ca chnh
lu), ti cú th thay i.Vi mt giỏ tr in th vo cho trc, in th trung bỡnh
u ra cú th iu khin theo hai cỏch:
- Thay i rng xung.
- Thay i tn s bm xung.

t1

t2

t

T

2.1.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phơng 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
.U
T

trong đó đặt:


t1
T

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là
rộng (0 < 1).

2.1.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1 = const.
Khi đó:

22


Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Ud

t1
.U t1.f .U
T

Vậy Ud = U f 1 khi và Ud = 0 khi f = 0.
t1

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên. Thực tế phơng pháp biến đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì
đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.

2.1.3 Nhn xột
õy ta chn cỏch thay i rng xung, phg phỏp ny gi l PWM
(Pulse Width Modulation), theo phng phỏp ny tõn s bm xung s l hng
s.Vic iu khin trng thỏi úng m ca van da vo viờc so sỏnh mt in ỏp
iu khin vi mt súng tun hon (thng l dng tam giỏc (Sawtooth)) cú biờn
nh khụng i. Nú s thit lp tn s úng ct cho van, tn s úng ct ny l
khụng i vi di tn t 2kHz n 200kHz. Khi u control u st thỡ cho tớn hiu iu
khin m van, ngc li khúa van.

t on
tof

on

Ura

o
f

2.2 Cỏc s bm xung:
Sơ đồ nguyên lý nh sau:

23

Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá S (van bỏn dn iu khin).
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 L
& C. Điôt mắc ngợc với Ud để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
+ S đóng U đợc đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tởng thì ud =
U (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ S mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng id do
năng lợng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó
ud = 0.
Nh vậy, Ud U. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
WI

Ud

U

Sơ đồ nh sau:

Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải.
Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ
có tụ C đóng vai trò này.

24

Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46

+ S đóng, dòng điện từ +U qua L S -U. Khi đó D tắt
vì trên tụ có UC (đã đợc tích điện trớc đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L D Tải. Vì từ
thông trong L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất
hiện suất điện động tự cảm eL w

d
, có cùng cực tính U. Do
dt

đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U ở
chế độ liên tục và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
WI

Ud
1

U 1

a. Sơ đồ mắc nh sau:

Ti l ng c mmt chiu c thay bi mch tng ng R-L-E. L1 chỉ
đóng vai trò tích luỹ năng lợng. C đóng vai trò lọc
b. Hot ng
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U S L1 -U. Năng
lợng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng

điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với
trờng hợp đóng D thông năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C
tích điện; ud sẽ ngợc chiều với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |
Ud| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn U ngun

25