Đồ án Công nghệ tự động: Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
                                        

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài: Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

Giảng viên hướng dẫn :  PHẠM THỊ THÙY LINH 
Sinh viên thực hiện: LƯU VĂN DƯƠNG
Ngành :    CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
Lớp :    D9CNTD1
Khoá :    2014­ 2019

Hà Nội, tháng 7  năm 2017



LƠI M
̀ Ở ĐÂU
̀
Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình 
công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền 
động điện là rất lớn bởi sự  nhỏ gọn của các phần tử  bán dẫn và việc dễ  dàng tự  động  
hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ  thống truyền động điều khiển bởi điện tử  công  
suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ 
truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máy phát ­ động cơ ...
Xuất phát từ  yêu cầu thực tế  đó, trong nội dung môn học Điện tử  công suất chúng 
em đã được giao thực hiện đề tài:Thiết kế mạch băm xung môt chiêu co đao chiêu đê
̣

̀ ́ ̉
̀
̉ 
điêu chinh đông c
̀
̉
̣
ơ môt chiêu kich t
̣
̀ ́ ừ đôc lâp
̣
. 
Với sự hướng dẫn tận tình của cô giáo: Phạm Thị Thùy Linh chúng em đã tiến hành 
nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao.
Trong quá trình thực hiện đề  tài do khả  năng và kiến thức thực tế  có hạn chế  nên 
không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của  
chúng em được hoàn thiện hơn.
                                         Chúng em xin chân thành cảm ơn


MỤC LỤC
Chương 1: Kiến thức tổng quát
1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập
1.1.1 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1.1.2Phương trình đặc tính cơ
1.1.3Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều
1.2.1 Khái niệm, phân loại các bộ băm xung áp một chiều
1.2.2 Van IGBT
1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế tính toán mạch lực
2.1 Thiết kế mạch lực
2.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch lực
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển
3.1 Cấu trúc mạch điều khiển
3.2 Chức năng của từng khâu
3.3 Tính toán mạch điều khiển

Chương 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển

4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM

4.2 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển


CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUÁT
 Giới thiệu chung về động cơ kích từ 

1.1

độc lập.
1.1.1

 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt 

động.
     Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)
A,Phần tĩnh (stator)
Gồm các phần chính sau:
a. Cực từ chính:

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 thuật điện. Cực từ 
được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc  
cách điện.
b. Cực từ phụ:
Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
c. Gông từ:
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
 d. Các bộ phận khác
­ Nắp máy
­ Cơ cấu chổi than.
B, Phần quay (rotor)
          Gồm các bộ phận sau:


a. Lõi sắt phần ứng:

Lõi sắt phần  ứng dùng để  dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ  thuật điện  
dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh 
để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
b. Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần  ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm 
bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, 
trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách 
điện với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:
Cổ  góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để  đổi chiều dòng điện 
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện 
với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ  tròn. Đuôi vành  

góp có cao hơn lên một ít để 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 để quạt gió làm nguội máy.
­ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần  ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ  bi. Trục máy thường 
làm bằng thép Cacbon tốt. 
C, Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:
b
F®t

+

n

I

a
I

                       A 

c

  

F
®t
d

                       B

-

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có  
dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ 
Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi 
phần ứng quay được nửa vòng vị  trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ  nhau do có phiến góp  
đổi chiều dòng điện giữ  cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ  có chiều  


quay không đổi. Khi động cơ  quay các thanh dẫn cắt từ  trường sẽ  cảm  ứng sức điện  
động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở  động cơ  điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư 
còn gọi là sức phản điện động.
Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:                          Rư: điện trở phần ứng
                                          Iư: dòng điện phần ứng ;  Eư: sức điện động
Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ 
độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ  thuộc 
vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà 
chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.

+

-

U-

I

E
KT

IKT
+

UKT

-

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở  chế độ định  
mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay  
nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ được 
tính như sau 
 lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi


 nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.
 đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều
Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ 

thường mắc song song với mạch phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và 
mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập.
Trường hợp Rf= 0: 
U= E + Iư.Rư        (1)
Trong đó; E= Ke. .n         (2)
              Ke =    : hệ số sức điện động của động cơ
              a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
              K= : hệ số cấu tạo của động cơ
              

: tốc độ góc tính bằng rad/s

               p:  số đôi cực chính
               N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Thế (2) vào (1) ta có: =       (3)
               Hoặc:      n=     (4)
Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ  n= f(I ư) gọi là phương trình đặc tính cơ 
điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư  (5): là mômen điện từ của động cơ.


Suy ra: n=  là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
Hoặc: =  = 
Trong đó: 0 : tốc độ không tải lý tưởng
               : độ sụt tốc độ
Từ  phương trình đặc tính cơ: =  ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ   ta có thể  thay  
đổi , Rf , U.
Trường hợp Rf  thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):Độ cứng đặc tính cơ: = giảm. 
Nếu Rf càng lớn thì tốc  độ động cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen 

ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế 
dòng và điều chỉnh tốc độ động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
Trường hợp thay đổi U< Uđm 
Tốc độ không tải  giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ =  const. Khi thay đổi điện áp 
ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương pháp này được sử dụng để điều 
chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.
Ảnh hưởng của từ thông:
Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải tăng. Độ cứng đặc 
tính cơ: =  giảm.
1.1.3

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:
                                                                    (1.2)
Từ  phương trình trên ta thấy n ( tốc độ  của động cơ) phụ  thuộc vào từ  thông  , điện 
trở  phần  ứng R, điện áp phần  ứng U. Vì vậy để   điều chỉnh tốc độ  của động cơ điện 
một chiều có 3 phương án.
a.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 

Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều


Hình 4: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Đồ thị 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 tang nhanh hơn do 
đó ta mới thấy độ  dốc của các đường đặc tính cơ  này khác nhau. Chúng sẽ  hội 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 thực hiện các biện pháp 
khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ  chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy 
tăng.

b.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.
Ta có:

Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có  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 chie 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 đọ sẽ thay đổi nhiều hơn).
Tuy nhiên phương pháp này làm tang  công suất giảm hiệu suất.


Hình 5: Đồ thị đặc tính khi tải thay đổi

c.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Hình 6: Đồ thị đặc tính khi điện áp thay đổi
Phương pháp này cho phép điêu chỉnh tốc độ cả tên 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  là hằng số  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 moomen không  
đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng không thay đổi (M= CM..Iư)
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ  trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn  
có thể đến 1:25.
Phương pháp chỉ  dùng cho động cơ  điện một chiều kích thích độc lập hoặc song 
song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.

 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp 

1.2

một chiều
1.2.1

xung áp một chiều

Khái niệm, phân loại các bộ băm 


a. Khái niệm chung.
Bộ  băm điện áp một chiều cho phép từ  nguồn điện một chiều U s tạo ra điện áp tải 
Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được.

Hình 7: Sơ đồ tổng quát và dạng điện áp đầu ra
Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ  rộng t1 và độ  nghỉ  t2. Điện áp ra bằng  
giá trị  trung bình của điện áp xung: Ura =  γ  .Us   (γ=t1/T). Nguyên lý cơ  bản của các bộ 
biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để 
điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải.

b. Phân loại các bộ băm xung áp.
­ Bộ băm xung áp song song
­ Bộ băm xung áp nối tiếp.
­ Bộ băm xung áp song song và nối tiếp hỗn hợp.

1.2.2

Van IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly là  
một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. 
Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp khả  năng đóng cắt nhanh của  MOSFET và khả 
năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng 
điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
a. Đặc điểm cấu tạo

IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau 
là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc 
bán dẫn p­n­p giữa emiter (tương tự  cực gốc) với 
collector (tương tự với cực máng), mà không phải 
là n­n như   ở  MOSFET. Vì thế  có thể  coi IGBT 
tương   đương   với   một   transistor   p­n­p   với  
dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
                 
Hình 8: cấu tạo van IGBT
b. Điều khiển mở van, khóa van


­ Do cấu trúc n­p­n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT 
thấp hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của  

IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ  thể hiện cấu trúc  
tương đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p­n­p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm  
hai thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có  
thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy  
nhiên   i2   sẽ   không   suy   giảm   nhanh   chóng   được   do   lượng   điện   tích   lũytrong   (tương  
đươngvới bazo của cấu trúc p­n­p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự  trung hòa điện tích.  
Điều này xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.
­ Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 9: Sơ đồ thử nghiệm IGBT
Quá trình mở của IGBT
­ Quá trình mở  IGBT diễn ra giống với quá trình này  ở  Mosfet khi điện áp điều  
khiển vào tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp  
điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 
đến giá trị ngưỡn Uge( 3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới  
bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colecto­emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng  
tải Io trong thời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến 
giá trị Uge xác định giá trị dòng Io qua colecto. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên 
điện áp Uce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn  
ra theo 2 giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển  
giữ nguyên Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc.  
IGBT vẫn làm việc trong chế đô tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa 
và phục hổi của diode Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng  
Io của IGBT. Điện áp Uce bắt đầu giảm.IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế  độ 
tuyến tính để  sang vùng bão hòa. Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở  trong  


vùng thuần trở của colecto dẫn đến điện trở colecto­emite về đến giá trị Ron khi bão hòa 
hoàn toàn Uce= IoRon.
Sau thời gian mở Ton khi tụ C đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và  

emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CR đến giá trị  cuối cùng 
Ug. 

 Hình10: Quán trình khóa van IGBT

 Quá trình khóa IGBT


Hình 11: Quán trình khóa van IGBT

c.

Các thông số cơ bản của van
Khi chọn van IGBT ta cần chú ý đến các thông số cơ bản Uce max, Uce bão hòa, Ic 
(A), P (w), R(K/W).

1.2.3

Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT.  Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn
IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh  điện áp và đảo chiều dòng điện tải .
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ  do đó bộ biến đổi
này thường hay dùng để cấp nguồn cho  động cơ một chiều kích từ độc  lập có nhu
cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT  làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm .Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng.để 
trả năng lượng phản kháng về  nguồn và thực hiện quá  trình hãm tái sinh.


Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển  độc lập,điều khiển 

không đối xứng và điều khiển đối xứng .

Hình 12: Sơ đồ mạch lực
a.Phương pháp điều khiển độc lập
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp còn 
lại sẽ khoá.
+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2  dẫn ,S3,S4  nghỉ .
+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2  nghỉ  ,S3,S4  dẫn .

b.Phương pháp điều khiển riêng


Chế độ hoạt động:
+Trong khoảng 1: S và S được kích dẫn, S và S được kích tắt, động cơ được nối 
1 
2 
3 
4 
với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị I
.
max
+Trong khoảng 2:S và S được kích tắt,S và S được kích dẫn,nhưng do tải có tính 
1
2 
3 
4 
cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D và D về nguồn, S và S bị đạt 
3 
4 
3 

4 
điện áp ngược bởi hai diode D và D nên khoá, dòng i giảm từ I
về 0
3 
4 
d 
max 
+Trong khoảng 3:S và S được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U,  dòng i tăng 
3 
4 
d 
theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về I
theo chiểu dương).
min 
+Trong khoảng 4: S và S được kích tắt, S và S được kích dẫn, nhưng do trước đó 
3 
4 
1 
2 
dòng i chạy theo chiều ngược lại nên dòng i tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch 
d 
d 
qua các diode D và D về nguồn; S và S bị  đặt điện   áp ngược bởi hai diode D và 
1 
2 
1 
2 
1 
D phân cực thuận nên khoá, do đó i giảm  theo chiều ngược lại từ I
về 0.

2 
d 
min 


c.Phương pháp điều khiển không đối xứng

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận  (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư  thứ 1và  
thứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngược  
pha với S1.
Bộ BXMC có 3 trạng thái  làm việc :
Trạng thái 1:    E>E : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng  cấp  
t 
cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0   t .
1 


+Trong khoảng t

T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo 
1 
chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4.
Trạng thái 2:    Et 
+Trong khoảng 0  t :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2 
1 
(I =I =I )
Đ1 Đ2 t
+Trong  khoảng t

1 

T :S dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ ,S (I =I =I )
4 
2  4  Đ2 S4 t

Trạng thái 3:   E=E :
t 
+Trong khoảng  0  t : E >   E :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ và Đ
0 t 
1 
2
(I

=I =I )
Đ1 Đ2 t
+Trong khoảng t

t :   E>E : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ 
0  1 
t 
nguồn qua S , S cấp cho động cơ
1    2 
+Trong  khoảng t

1 

t : S khóa ,S mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ   cấp
2 1 
4 

cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ ,Đ
2  4
+Trong khoảng t

T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động 
2 
động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S ,Đ
4  2
Để  động cơ  làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ  thay đổi theo  
chiều ngược lại. Trong trường hợp này, van  và S  dẫn ngược nhau, van  luôn dẫn, van 
2
luôn khóa.
Các biểu thức tính toán:
+ Giá trị dòng trung bình qua tải
 Ta có L.  + R.it + E = U
 Do đó   .  +  +  .dt =  .dt
 R.It + E = γ U 


                    => It = 
 + Dòng trung bình qua van Is = 
 Với a1 =      b1 =   Rút gọn ta có Is = γIt 
+Dòng trung bình qua Diot
       ID =  ­ It
+ GIá trị trung bình điện áp ra tải Ut = γU
 Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển γ để điều chỉnh điện áp ra tải

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1 Thiết kế mạch lực

Sơ đồ mạch lực như sau:

Chức năng từng phần tử trong mạch:
­

Nguồn V: điện áp một chiều cung cấp cho động cơ.


­

Diot: bảo vện điện áp ngược đặt lên 2 đầu của van IGBT
2.2 Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch
a)

Tính toán động cơ:
Thông số động cơ: P= 1kW, Udm= 200V, Idm= 10A, Ikt=0.5A, ndm=3000v/p
Tốc độ định mức của động cơ:
  (rad/s)
Điện trở phần ứng
= 0.5(1­)= 0.5(1­)= 0.25(Ω).
Điện áp phần ứng: 
=Udm­ . Idm= 200­0.27x10=220 ­ 2.5= 117.5 v
b)

Lựa chọn Diot:
 Diot công suất được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã chọn, 
điều kiên tản nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van Diot được tính toán 
như sau: khi bỏ qua sự sụt áp trên các van
+Dòng điện trung bình chạy qua Diode I

D = 

(1­ γ )I Với giá trị dòng điện định mức 
t 

động cơ là I
=18(A)
tđm 
Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt
thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm
Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : I

= k I
=18/0.5=36(A)
đmv  i  max 

Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp
trên các van ) là: U

ngmax

=E=200(V)

Chọn hệ số quá điện áp k = 2 nên U
=k .U
= 2*200=400(V).
u 
ngv  u ngmax 

c) Lựa chọn van IGBT

Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển 
hoàn toàn là IGBT.


+Tính dòng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên  ta thấy:
Dòng điện trung bình chạy qua van lµ : I = γ I
S 
t
Với giá trị dòng điện định mức động cơ là I
=18(A)
tđm 
+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt 
thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm. 
Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : I

= k I
=18/0.5=36(A).
đmv  i  max 

Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp 
trên các van ) là U
=E=400(V).
ngmax
Chọn hệ số quá điện áp k = 2 nên U
=k .U
= 2*200=400(V).
u 
ngv  u ngmax 

Loại
BSM50GB60DLC

NSX
eupec 
GmbH

Điện áp
Vcemax
(V)

Dòng
điện
ICmax (A)
ở 25oC

Điện áp
Vgeth
(V)

Công
suất
Ptotmax
(W)

R
(K/R)

600

75

5,5

250

0.5

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch điều khiển:
3.2 Chức năng của từng khâu

a) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác.


Người ta thường dùng khuếch đại thuật toán để tạo ra xung chữ nhật và xung 
giác.  

Bằng việc nối mạch Trigger Smith  nối tiếp  với mạch tích phân có phản hồi sẽ 
tạo nên dao động: xung chữ nhật ở đầu ra mạch Trigger Smith và xung tam giác  
ở đầu ra OA2. Dạng của điện áp dao động hình chữ nhật và điện áp răng cưa

Từ  hình vẽ  ta thấy thời gian nạp phóng bằng nhau( với hằng số  thời gian 
RC) và điện áp cuối quá trình phóng nạp có độ lớn bằng nhau. Do đó xung ra là  
đối xứng.
Chu kì dao động:
T= t1 + t2 = 2. t1 = 4. RC.(R1 / R2)
Hay tần số xung    f =  = 
Tần số  dao động phụ  thuộc vào tần số  băm xung của mạch lực, có thể  từ 

vài trăm Hz đến vài chục KHz. (thường lấy chuẩn là 400 Hz).   
Giá trị  C1 thường được chọn theo tần số  cao hay thấp. Khi tần số khoảng 
vài trăm Hz thì tụ C1  có giá trị khoảng 0,1. Khi tần số khoảng vài chục KHz thì 
tụ C1 có giá trị nhỏ đi nhiều. 
b) Khâu so sánh:


Khâu so sánh dùng mạch so sánh 2 cửa để  so sánh 2 tín hiệu URC với Uđk để 
quyết  định thời  điểm mở  van IGBT. Cho Uđk và 
URC tới 2 cực khác nhau của OA. 
Điện áp ra tuân theo quy luật: Ura = Ko. (U+ – U– )
Với Ko là hệ số khuếch đại của OA. Tuỳ thuộc vào 
điện áp răng cưa và điều khiển đưa vào cửa nào của 
OA mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng  
giá trị giữa chúng.  ở  đây ta đưa Urc vào đầu âm còn Uđk vào đầu dương 
(hình vẽ). Khi đó điện áp ra là: Ura = Ko. (Uđk – Urc )
Điểm lật trạng thái ứng với URC = Uđk.
        + Khi U RC   Uđk thì  U = Uđk – URC < 0  
hoà.

Uso sánh = âm điện áp bão 

        + Khi URC   Uđk thì   U > 0  Uso sánh = dương điện áp bão hoà.
      Như vậy các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu thì  mới có hiện tượng  
thay  đổi trạng thái đầu ra. Và độ  chênh lệch tối đa giữa 2 cửa trạng thái khi  
làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của loại OA đã chọn.
       Nguyên lý hoạt động của sơ  đồ: điều chỉnh Uđk, sẽ  điều chỉnh được Uss1 
tức là điều chỉnh được độ rộng xung. Từ đó sẽ điều chỉnh được điện áp ra tải.
c) Khâu xử lý tín hiệu.
 Tín hiệu USS1 từ bộ so sánh được đưa vào khâu xử lý tín hiệu để trở thành 2 tín 

hiệu USS1 và USS2 sẽ  được đưa vào bộ  lôgic phân xung để  điều khiển các van  
IGBT. Khâu xử lý tín hiệu bao gồm một phần tử NAND có tín hiệu ra có thể 
điều chỉnh nhờ tín hiệu vào EN để  quyết định trạng thái ra của U SS2. Tín hiệu 
EN điều khiển lúc nào thì cần đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ nguyên. Phần tử 
NAND trong khâu xử  lý tín hiệu có thể  được chọn là một vi mạch của họ 
CMOS 74Cxx.
d) Khâu logic phân xung.
Là khâu quyết định dạng xung đưa tới các IGBT và điều khiển đóng mở 
các van này để tạo thành các chế độ quay thuận và quay nghịch của động cơ. 
    Ta lập bảng trạng  thái sau:
USS1

USS2

S1

S2

S3

S4

Trạng thái động cơ

1

0

1

1

0

0

Quay thuận

1

1

0

1

0

1

Hãm

0

1

0

0

1

1

Quay ngược (đảo chiều quay)

1

1

0

1

0

1

Hãm


Từ  bảng trạng thái trên, ta dùng một bộ  NAND họ  CMOS   GD75188 dùng 4  
phần tử NAND. Sơ đồ tổng hợp của mạch logic phân xung:

Do các OA dùng nguồn nuôi hai cực tính nên sẽ xuất hiện các xung âm. Vì vậy 
ta phải chặn các xung âm từ đầu ra bộ so sánh và bộ đảo dấu bằng các Điot.

3.3 Tính toán mạch điều khiển
a) Khâu tạo dao động và khâu tạo răng cưa.

Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL084. Với điện áp cung cấp là ± 12V.
Chu kỳ dao động:  
Chọn tần số băm xung f = 400 Hz 
Ta có: . Suy ra: = 2,5 ms
Điện áp ra của khâu tạo dao động và tạo răng cưa có dạng răng cưa và có điện áp đỉnh 
bằng điện áp bão hoà của IC. Với nguồn cấp cho OA là 12 V thì điện áp bão hoà của IC