Thiết kế bộ biến đổi công suất điều khiển động cơ một chiều

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ TRUYỀN
ĐỘNG XUNG ÁP- ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện :

Hà Nội, 2020
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG
NGHIỆP HÀNỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên đề tài: Thiết kế bộ biến đổi công suất trong hệ truyền động xung ápĐộng cơ một chiều
2. Mục tiêu đề tài: Phân tích, lựa chọn cấu trúc hệ truyền động điện. Tính toán,

thiết kế mạch lực, mạch điều khiển cho bộ biến đổi công suất, ứng dụng cho hệ XA-Đ.
Thông số động cơ một chiều kích từ độc lập: Pđm = 10kW, Uđm= 220V, nđm = 980
v/p, Rư = 0,05Ω, = 96%
3. Kết quả dự kiến
1. Bản Phân tích, lựa chọn hệ truyền động điện cho đề tài
2. Thiết kế mạch lực bộ biến đổi công suất, hệ XA-Đ
3. Thiết kế mạch điều khiển BBĐ công suất, hệ XA-Đ
4. Mô hình mô phỏng hệ thống, đánh giá kết quả tại phòng TNTĐĐ
Thời gian thực hiện: từ 02/03/2020 đến 18/04/2020

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

TRƯỞNG KHOA


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3- 9: Mạch khuếch đại1

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều
rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng , không thể
thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người.

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ 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 được sử dụng rộng rãi và phổ biến.
Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như 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 (như 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 ...
nhưng do những ưu 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 ưu điểm lớn
nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải
chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện
một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. 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. Hướng phát
triển là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

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 hệ điều khiển bộ biến đổi xung áp động cơ
điện một chiều để điều khiển tốc độ động cơ.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

CHƯƠNG 1: BẢN PHÂN TÍCH , LỰA CHỌN HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO ĐỀ TÀI
1.1.

Cấu trúc của hệ truyền động điện

1

Định nghĩa hệ truyền động điện

Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị
điện tử phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng cung cấp cho các
cơ
cấu công tác trên các máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều
khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.

2

Cấu trúc của hệ truyền động điện

Hình 1- 1 : Cấu trúc của hệ truyền động điện

Trong đó:
BĐ: bộ biến đổi dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc

ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi số
pha, tần số…
Các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay
chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), bộ biến đổi điện tử
(chỉnh
lưu tiristo, biến tần tranzito, tiristo).
Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện
năng (khi hãm điện). Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều không đồng
5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

bộ ba pha roto dây quấn hay lồng sóc, động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp
hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, động cơ xoay chiều đồng bộ…
TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc
dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hoặc lắc) hoặc làm phù hợp về
tốc độ, momen, lực. Để truyền lực có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích,
đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ…
CT: Cơ cấu công tác (cơ cấu sản xuất, cơ cấu làm việc) thực hiện các thao tác sản
xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ tải trọng, dịch chuyển…).
ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BĐ, động cơ điện
Đ, cơ cấu truyền lực. Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh
tham số công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơ le, công
tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn). Các thiết bị đo lường, cảm biến
(sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi, có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến
từ…

1.2.
3

Một số hệ truyền động điện một chiều
Hệ máy phát động cơ một chiều ( Hệ F-Đ)

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1- 2 : Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ

Giả thiết ωf = const, sức điện động của máy phát E f = f( Iktf ) theo quy luật đường
cong từ hố, nếu coi máy phát không bão hòa thì đường đó thẳng nên.

Ef = kf φf ωf = kf φf αIktf
6

(1.1)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Trong đó:
• φf : Từ thông kích từ máy phát
•
:hệ số của đường đặc tính(thường là đường thẳng)
• Iktf : Dòng kích từ của máy phát
Nếu dây quấn kích từ của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng Ukf thì :

Ikf =

(1.2)

Như vậy sức điện động lúc này tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng số là k f . Lúc
này có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuếch đại
tuyến tính.

Ef = kfUkf

(1.3)

Phương trình đặc tính cơ điện:
(1.4)
Phương trình đặc tính cơ:
(1.5)
Trong đó
• Rưf : Điện trở phần ứng của máy phát
• Rưđ : Điện trở phần ứng của động cơ
Tốc độ không tải lý tưởng :

(1.6)
Độ cứng đặc tính :
(1.7)

7

Hình 1- 3 : Đồ thị đặc tính cơ hệ F-Đ ứng với Ukf thay đổi

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Những biểu thức trên chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì điều
chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên, do
đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ các đường thẳng song song nhau
- Nếu cho máy phát kích từ thuận Ukt>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0
- Nếu cho máy phát kích từ nghịch U kf <0 (đảo kích từ) thì Ef <0 thì đặc tính ở phía
trục ω <0.
- Mỗi đặc tính cho ta một tốc độ làm việc.
- Trường hợp Ukf =0 thì Ef =0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng.
- Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối
giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mô men tải có tính
chất thế năng.
Nhận xét :
Ưu điểm : Hệ truyền động F – Đ có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt,
khả năng quá tải lớn, chi phí điều khiển nhỏ và điều khiển dễ dàng, cho phép động cơ
làm việc được ở cả 4 góc phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ.
Nhược điểm : Hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn , công suất lắp đặt máy ít
nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành với đề tài của em cho công suất động cơ
là 45 kW thì công suất lắp đặt.Khó điều chỉnh tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư
và đặc tính từ hố có từ trễ . Mặt khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt
( không kinh tế), hiệu suất của hệ thống thấp η= = =0.
Hệ chỉnh lưu động cơ một chiều ( Hệ T-Đ)
Sơ đồ nguyên lý:

8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

1
Hình 1- 4 : Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ

Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi
dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi,
được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van.
Điện áp chỉnh lưu Ud0 (điện áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần đập
mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực.
Sơ đồ hình tia n=m với m là số pha Sơ đồ hình cầu n=2m
Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van có dạng: U2 = U2msinωt
Ta đã biết sau một chu kỳ dòng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho một chu
kỳ là đủ, coi điện trở van Rv =0
- Sơ đồ thay thế của mạch
Một bộ biến đổi van có thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van , kháng lọc, thiết bị
bảo vệ và hệ thống điều khiển:

2

Hình 1- 5 : Sơ đồ thay thế chỉnh lưu tiritor – Động cơ một chiều

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Khi van dẫn ta có phương trình:

U2 – E = IRΣ + LΣ

(1.8)

Với
• RΣ = Rba + Rư + Rkt
• LΣ = Lba + Lư + Lkt
❖ Nhận xét
Ưu điểm: Hệ (T – Đ) tác động nhanh,tổn thất năng lượng ít, kích thước và trọng
lượng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại lớn,
điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để
nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống.
Nhược điểm: Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên
độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc không cao, khả năng
quá tải về dòng và áp của van kém, chất lượng điện áp ra không cao, gây tổn thất phụ và
làm sấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp.
Khắc phục: Thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián đoạn bằng
cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số .
❖ Kết luận
Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh Tiristor –
Động cơ là hợp lý nhất. Tuy hệ này có những nhược điểm nhất định, nhưng xét về ưu
điểm thì hệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn chỉnh
lưu Tiristor.lần đập mạch, nối van đệm.

4

Hệ truyền động xung áp động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ )

Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khóa điều khiển
❖ Sơ đồ nguyên lý và điện áp :

Hình 1- 6 : Sơ đồ nguyên lý và 10
điện áp của hệ xung áp – động cơ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D 0 . Giả thiết van đệm
D0 là van lý tưởng, nghĩa là van có sụt áp thuận U =0 và dòng điện ngược I ng=0 , khối k
có thể là Tiristor hoặc Transistor. Đối với động cơ công suất lớn thì phải dùng Tiristor.
Khi đóng, cắt khố k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung
vuông.
Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứng của
động cơ là :
(1.9)
Trong đó:
• t1 là thời gian khóa k đóng
• γ = là độ rộng của xung áp
Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục, có điện áp ra U d =
var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ. Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khóa k
rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ và
sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảng thời gian T
❖ Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ.
Đặc tính cơ điện:

(1.10)
- Đặc tính cơ:
(1.11)
Khi thay đổi độ rộng xung γ ta được họ đường thẳng song song với tốc độ không tải
lý tưởng = var và độ cứng
Đồ thị đặc tính cơ gồm hai đoạn thẳng ứng với hai chế độ dòng điện liên tục và dòng
điện gián đoạn.

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Hình 1- 7 : Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ.
Vậy đặc tính sẽ không còn đúng khi dòng điện đủ nhỏ, hệ sẽ chuyển từ trạng thái
dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn .
❖ Nhận xét:
- Ưu điểm :
• Bộ nguồn điều áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn
giản, chắc chắn , dễ điều khiển
• Độ cứng đặc tính cơ lớn
• Khi thay khóa k bằng van có điều khiển thì có thể thiết lập hệ tự động vòng kín
- Nhược điểm : Vì điện áp dạng xung gây tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do
thành phần xoay chiều của dòng điện, nằm trong dải công suất nhỏ

1.3.Phân tích, lựa chọn hệ xung áp động cơ
5

Phân tích lựa chọn bộ biến đổi công suất
1.1.5.1.

Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 1- 8 : Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xung áp giảm áp
12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Nguyên lý hoạt động :
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm
kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với U d để thoát dòng tải khi ngắt
khóa K.
S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong các van và các
phần tử thì Ud=U
S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i d do năng lượng tích lũy
trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
1.1.5.2.

Bộ biến đổi xung áp tăng áp

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 1- 9: Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Nguyên lý hoạt động
- L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham gia vào
quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
- S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được
tích điện trước đó).
- S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L không giảm
tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có cùng cực tính với U.
Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
- Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
1.1.5.3.

Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Hình 1- 10: Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý:
Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng vai
trò tích lũy năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động :
S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng 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 ngược chiều với trường hợp đóng ⇒ D

thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược 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 nguồn.
1.1.5.4.

Lựa chọn bộ biến đổi

+ Lựa chọn mạch lực :
Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để thay đổi tốc độ động cơ một chiều ta sẽ
dùng bộ biến đổi xung áp giảm áp.
+ Lựa chọn van bán dẫn :
Chọn van IGBT bởi :
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu
quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm
hơn.
Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết kế của các
bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa nó cũng làm tiết
kiệm năng lượng (điều khiển).

6

Phân tích lựa chọn động cơ điện một chiều
14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta

phân loại theo cách kích từ các động cơ. Theo đó có 4 loại động cơ một chiều thường
được sử dụng :
1.1.6.1.

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

Ta thấy loại này có cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng động cơ nên dòng kích từ
chính là dòng phần ứng động cơ . Do vậy khi Iư biến đổi thì từ thông ɸ cũng biến đổi sẽ
gây ra hiện tượng từ dư (tổn thất phụ) lớn : ɸdư =
Mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ ở dạng phi tuyến (hypebol ),
nên đặc tính cơ mềm và độ cứng lại thay đổi theo phụ tải.
Mặt khác, từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng nên khả năng chịu tải
của động cơ bị ảnh hưởng rất lớn của điện áp lưới. Điều này gây khó khăn trong quá trình
điều chỉnh và ổn định tốc độ, quá trình này chỉ có hiệu quả ở tốc độ rất thấp và hiệu quả
không cao, ở tốc độ cao đạt được điều này là rất khó khăn.
1.1.6.2.

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Là lọai động cơ có kết cấu phức tạp,giá thành cao nên không phù hợp cho đề tài
1.1.6.3.

Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì phần
ứng và phần kích từ thường mắc song song. Do yêu cầu công suất nguồn lớn nên khó
khăn trong việc thiết kế bộ nguồn nên không chọn loại động cơ này cho đề tài.
1.1.6.4.

Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Do mạch kích từ nằm độc lập với mạch phần ứng nên từ thông kích từ ɸ = const
khi tải thay đổi.
Phương trình đặc tính cơ:
w = U/(K ɸ) – RI/(K ɸ) = U/(K ɸ) – RM(K ɸ)2

(1.12)

Vì ɸ = const nên quan hệ w(M) là quan hệ đường thẳng.
Đặc tính động cơ một chiều kích từ độc lập

β = - (Kɸ) = const
15

(1.13)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Nhận xét: Loại động cơ này cho phép quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và dễ điều chỉnh.
Ta chọn động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập cho hệ điều khiển bộ biến đổi xung áp –
động cơ

7

Phân tích lựa chọn cấu trúc điều khiển

Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho hệ XA-Đ

Hình 1- 11: Cấu trúc điều khiển

Trong đó:
● CL: Khối chỉnh lưu điốt không điều khiển
● DC/DC: bộ biến đổi công suất DC/DC
● Eng: điện áp ra của bộ chỉnh lưu
● Ebd: điện áp điều khiển động cơ một chiều
- Khối chỉnh lưu ( CL ) là bộ chỉnh lưu cầu diot một pha tạo ra điện áp tương đối
bằng phẳng, giúp cho việc duy trì các chế độ dòng điện liên tục được dễ dàng.
- Khối DC/DC sử dụng bộ biến đổi xung áp một chiều.
- Khối động cơ sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Đây là sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ XA-Đ. Kiểu điều khiển hệ hở không có
mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ nên chỉ điều chỉnh tốc độ với tải cố định không
thay đổi nhằm đạt được tốc độ mong muốn.
Nhóm nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển bộ biến đổi xung áp- động cơ một chiều tập
trung chủ yếu vào nghiên cứu bộ biến đổi công suất nên chọn cấu trúc điều khiển này là
phù hợp với đề tài.

8

Thông số tính toán của động cơ và bộ biến đổi
1.1.8.1.

Thông số tính toán của động cơ

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số sau:
-

Công suất định mức: Pđm = 10 (Kw)

Điện áp định mức : Uđm = 220 (V)
16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Tốc độ định mức : nđm = 980( vòng/p)
Điện trở phần ứng : Rư
= 0.05 (Ω)
Hiệu suất định mức: đm = 96%
1.1.8.2.

•

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Thông số tính toán của bộ biến đổi.

== = 47, 3 (A)

Dòng điện trung bình chạy qua diode ,Với giá trị dòng định mức động cơ Iđm =
47,3 (A)

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI
CÔNG SUẤT, HỆ XA-Đ
2.1. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi công suất trong hệ XA-Đ

Hình 2- 1: Sơ đồ mạch lực của bộ biến đổi công suất
Khối nguồn một chiều E: Điện áp xoay từ lưới điện qua bộ chỉnh lưu thành điện áp 1
chiều tương đối bằng phẳng được cấp cho mạch lực.
Khối lọc: Ở đây mạch lọc ta sử dụng để lọc điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu nhằm
tạo ra điện áp bằng phẳng nhất cấp cho mạch băm xung.
Mạch băm xung: Theo yêu cầu đề tài ta cần sử dụng mạch băm xung một chiều giảm
áp để điều khiển tốc độ của động cơ.
Khối tải gồm động cơ một chiều kích từ độc lập.

2.1.1 Mạch lọc

Hình 2- 2: Sơ đồ mạch lọc

Chọn bộ lọc LC lọc phẳng điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

2.1.2 Mạch băm xung

Hình 2- 3: Cấu trúc mạch băm xung

Sử dụng bộ băm xung một chiều có van điều khiển IGBT mắc nối tiếp với tải, tải ở
đây là tải động cơ một chiều có thành phần RLE
Nguyên lý hoạt động của mạch

Trong chế độ dòng
điện
liênthị
tụcdạng
dòng
điện
it chạy
qua
cuộn
cảm
L không bao giờ bị
Hình 24: Đồ
sóng
điện
áp của
mạch
băm
xung
giảm về 0 trong suất chu kỳ chuyển mạch.
Điện áp ra ut luôn có dạng xung
19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Giá trị trung bình của điện áp ngõ ra
(2.1)
=

: tỉ số điều chế

0 1 0
Dòng trung bình ngõ ra:
=

(2.2)

2.2 Tính toán thông số tải động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số sau:
Công suất định mức: Pđm = 10 (Kw)
Điện áp định mức: Uđm =220 (V)
Tốc độ định mức: nđm =980( vòng/p)
Điện trở phần ứng: Rư =0.05 (Ω)
Hiệu suất định mức: đm =96%
• ᶯđm== 0,96
• == = 47, 3 (A)
• = = = 102,62 (rad/s)

• = = = 2,12 (Wb)

• = = =103,74 (rad/s)

•

= = = = 4,4 ( kA)

•

= * = 2,12* 4,4 = 9328 (N.m)
20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

• = * = 2, 12* 47, 3 = 100,28 ( N.M)

•

= * *.= 2, 12* 47, 3* 102, 62= 10290 (W)

2.3 Tính chọn bộ nguồn một chiều
Sơ đồ mạch cấp nguồn một chiều

Hình 2- 5: sơ đồ mạch cấp nguồn một chiều
Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển một pha cấp nguồn một chiều bằng
phẳng cho mạch xung áp 1 chiều.

2.3.1 Tính toán chọn van cho mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều
khiển
Khi lựa chọn van ta dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện tỏa nhiệt ,điện áp
làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau :

-

Xét điện áp đặt lên van:
(V)
-

Điện áp ngược đặt lên các van là :
=*=244 =345(V)
21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Với kdt = ( 1,6-2 ) là hệ số dự trữ điện áp, chọn kdt = 2 (điều kiện làm mát tự nhiên),
điện áp ngược của van:
Unv = kđt.Ung = 2.345 = 690V
Trong đó:
Ud: điện áp sau chỉnh lưu
U2: điện áp từ nguồn lưới
-

Xét dòng điện qua van:

Ta có dòng trung bình qua các diode là :
ID= = =23,65(A)
Chọn chế độ làm mát của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt,
không có quạt đối lưu không khí, nên hệ số làm mát là Ki=2
Ilv=Ki * ID=2* 23,65=47(A)

Trong đó:

ID là dòng điện trung bình qua van
Id là dòng điện định mức động cơ

Từ 2 thông số điện áp ngược làm việc của van (Unv) và dòng làm việc của van (Ilv )
ta chọn 4 Diode loại R5080PF có các thông số sau:

Imax(A)
50

Un(V)
800

Ir(A)
40μA

Ith(A)

Tcp

Ipik (A)

50A

200

800

∆U(V)

1

Trong đó:
·

Imax: dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van

·

Un : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van

·

Ipik : đỉnh xung dòng điện

·

ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode

·

Ith : dòng điện thử cực đại
22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

·

Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C

·

Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc.

2.3.2 Tính toán bộ lọc
Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu sẽ làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm
xấu đi chất lượng dòng điện một chiều, tải là động cơ điện một chiều sẽ làm xấu quá trình
chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hài.
Yêu cầu về hệ số đập mạch cho ta biết có cần bộ lọc một chiều hay không. Khi so
sánh hệ số đập mạch cần có với hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu ta nhận thấy: Bộ chỉnh
lưu cầu một pha không điều khiển dùng các diode có hệ số đập mạch theo tính toán là
0.67. Theo như phần lựa chọn động cơ thì tốc độ động cơ chỉ được phép thay đổi 6.7%.
Hay hệ số đập mạch của điện áp đầu vào băm xung chỉ là 0.067. Do đó hệ số đập mạch
sau sơ đồ chỉnh lưu chưa thỏa mãn yêu cầu đặt ra với điện áp cung cấp cho động cơ. Vậy
chúng ta nhất thiết cần có bộ lọc một chiều. Trong trường hợp này ta dùng bộ lọc LC (lọc
cả dòng lẫn áp) như sau:
Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm lọc và
tụ điện lọc sao cho thoả mãn hệ số đập mạch mong muốn đồng thời hiệu chỉnh để có kích
thước của bộ lọc vừa phải.
Chọn hệ số đập mạch mong muốn là kđmr = 0,067
Hệ số san bằng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc:

ksb = = = 10
Trị số điện cảm L thường được chọn theo biểu thức sau:
L > = = 1,8. (H)
Chọn L= 2Mh
C = = 5.10-3 (F)

Với : số lần đập mạch trong một chu kỳ.

: tần số góc
: điện trở tải
: tần số điện áp lưới.
2.4 Tính chọn van công suất cho bộ biến đổi
23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

2.4.1 Tính chọn van diode công suất
Dòng điện làm việc của van:
Ilv = Idm, Với Idm là dòng điện định mức của động cơ.
Điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, chọn hệ
số dự trữ dòng ki = 2, vậy ta có:
Iđmv = ki . Ilv = 2.47,3 = 94,6A
Điện áp ngược đặt lên van :
Unv = Kdt.Udm
Trong đó : Kdt = (1,6 ¸ 2) là hệ số dự trữ điện áp. Chọn Kdt = 2
Unv = 2.220 = 440V
Dựa vào hai thông số Iv và Unv ta lựa chọn 4 điôt loại 100HF60 có số liệu như bảng
sau:

Imax(A)

Un(V)

Ith(A)

Tcp

∆U(V)

Ipik (A)

100

600

500

180

1,7

1500

Trong đó:
·

Imax: dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van

·

Un : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van

·

Ipik : đỉnh xung dòng điện

·

ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode

·

Ith : dòng điện thử cực đại

·

Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc.

2.4.2 Tính chọn van IGBT
24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI

Dòng điện trung bình qua van:
Ilv = Idm ,Với Idm là dòng điện định mức của động cơ.
Điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, ta chọn
hệ số dự trữ dòng ki = 2, vậy ta có:
Iđmv = ki . Ilv = 2.47,3 = 94,6A
Điện áp ngược đặt lên van :
Unv= Kdt.Udm , Trong đó : Kdt = (1,6 ¸ 2) là hệ số dự trữ điện áp. Chọn Kdt

=2
=> Unv= 2.220 = 440V

Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT loại BSM100GAL120DN2 có các thông
số sau:
Icmax

100A

Uce max(V)

1200V

Pdmax

Uce, bão
hòa

R(K/W)

800W

2,5

0,16

2.5 Sơ đồ mạch lực hệ XA-Đ

Hình 2- 6: Sơ đồ mạch lực hệ xung áp – động cơ

25