Tài liệu 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 :
Lớp :

CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
D9CNTD1

Khố : 2014- 2019

Hà Nội, tháng 7 năm 2017


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trị rất quan trọng trong q trình
cơng nghiệp hố 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 mơn học Điện tử công suất chúng em đã
được giao thực hiện đề tài:Thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điều
chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp.

Với sự hướng dẫn tận tình của cơ 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 khơng
thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cơ, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của chúng em
được hồn 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 tốn mạch lực
2.1 Thiết kế mạch lực
2.2 Tính tốn, lựa chọn các phần tử trong mạch lực
Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển
3.1 Cấu trúc mạch điều khiển
3.2 Chức năng của từng khâu
3.3 Tính tốn 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
1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ 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 bulơng. 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 dịng 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 cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dịng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đi nhạn cách điện
với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ trịn. Đi 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

A

I
c
F

B

®t

d
-

Hình 1:Sơ đồ ngun 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
dịng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ F đt
tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần
ứng quay được nửa vịng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều
dịng điện giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động cơ có chiều quay khơng đổi.
Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động E ư chiều của s.đ.đ
xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư 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 dịng điện kích từ khơng phụ thuộc
vào dịng điện phần ứng nghĩa là từ thơng 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

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

UKT

-


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 β

ΔM
Δβ=
Δω
được tính như sau

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.
β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
+

-

U­

E­

Rf

IKT
CKT

RKT

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều
Khi nguồn điện 1 chiều có cơng suất lớn và điện áp khơng đổi thì mạch kích từ
thường mắc song song với mạch phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất khơng 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. Φ .n
p.n
Ke = 60a

(2)

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
p.n
K= 2 aπ : hệ số cấu tạo của động cơ
ω

: tốc độ góc tính bằng rad/s

p: số đơi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.


Uu Ru
−
Iu
= K .φ K .φ

Thế (2) vào (1) ta có: ω
Uu

Hoặc:

−

Ru

K e. φ Ke . φ

n=

Iu

(3)

(4)

Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ.
Uu

Ru

−

Suy ra: n= K e . φ K e . φ . K Φ
chiều kích từ độc lập.
Uu

−

.M

Ru

2
Hoặc: ω = K . φ ( K . φ)

Trong đó: ω

0

M

là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1

= ω 0− Δω

: tốc độ không tải lý tưởng

Δω : độ sụt tốc độ
Uu

Từ phương trình đặc tính cơ: ω =

−

Ru +R f

K . φ ( K . φ)2

M

ta nhận thấy muốn thay đổi

tốc độ ω ta có thể thay đổi φ , Rf , U.
Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):Độ cứng đặc tính cơ:
2

( Kφ dm )
ΔM
−
β=
R u +R f giảm. Nếu R càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời
Δω =
f
dịng ngắn mạch và mơmen 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
2

(Kφ)
U
ΔM
−
=
ω0=
β=
R
Kφ

Δω
u
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 thơng:
Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dịng kích từ Ikt khi đó tốc độ khơng tải
( Kφ)2
ΔM
−
β=
Ru
Δω =
tăng. Độ cứng đặc tính cơ:

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

giảm.

ω=

U dm
Kφ


Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:
n=

U −Rư . I ư
K E . ∅ kt

(1.2)

Từ phương trình trên ta thấy n ( tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào từ thông θ , 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 thơng ∅
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 thơng giảm thì n 0 tăng nhưng ∆ n cịn 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 hồnh ứng với dịng điện rất lớn: I ư=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 cơng 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:
n=

U −Rư . I ư
K E . ∅ kt

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 R f, 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 tốn cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp
U. Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆ n 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 khơng đổi
vì từ thơng và dịng điện phần ứng không thay đổi (M= CM.θ .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.


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
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.

US

BBĐ
một
chiều

Ura
Ura

t1

t2

t

T

Hình 7: Sơ đồ tổng quát và dạng điện áp đầu ra
Ura là một dãy xung vng (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng
giá trị trung bình của điện áp xung: U ra = 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 cơng 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 cơng suất điều khiển u 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 p-n-p giữa emiter (tương tự cực
gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà
không phải là n-n như ở MOSFET. Vì thế có thể
coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p
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 n-p-n 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 p-n-p. 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 dịng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ khơng
suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũytrong (tương đươngvới bazo của cấu trúc
p-n-p) chỉ có thể mất đi do q trình tự trung hịa điện tích. Điều này xuất hiện vùng dịng
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 colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dịng 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 dịng Io, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc
trong chế đơ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra q trình khóa và phục hổi của diode
Do dịng 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
hịa. Giai đoạn 2 tiếp diễn q trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colecto dẫn đến
điện trở colecto-emite về đến giá trị Ron khi bão hịa hồn 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

 Q trình khóa IGBT


Hình 11: Qn trình khóa van IGBT
c. Các thơng số cơ bản của van

Khi chọn van IGBT ta cần chú ý đến các thông số cơ bản Uce max, Uce bão hịa, 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 hồn tồn
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 khố khơng tiếp điểm .Các Điơt 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 cịn
lại sẽ khố.
+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: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối
với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax.
+Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải có
tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D 3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị

đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khố, dịng id giảm từ Imax về 0
+Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng i d
tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương).
+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó
dịng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng i d tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch
qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và
D2 phân cực thuận nên khố, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0.


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 ln bị khố ,S4 được đóng mở ngược
pha với S1.
Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc :
 Trạng thái 1:  E>Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp cho
động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0  t1 .
+Trong khoảng t1 T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dịng điện theo
chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4.
Trạng thái 2:  E+Trong khoảng 0 t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2
(IĐ1=IĐ2=It)
+Trong khoảng t1 T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ2 ,S4 (IĐ2=IS4=It)
Trạng thái 3:  E=Et :
+Trong khoảng 0 t0: Et >  E :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ1 và Đ2
(IĐ1=IĐ2=It)


+Trong khoảng t0 t1 :  E>Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ
nguồn qua S1 , S2 cấp cho động cơ

+Trong khoảng t1 t2: S1 khóa ,S4 mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp
cho động cơ và duy trì dịng điện qua Đ2 ,Đ4
+Trong khoảng t2 T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động
cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2
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 S3 và S2 dẫn ngược nhau, van S4 luôn dẫn,
van S1 luôn khóa.
Các biểu thức tính tốn:
+ Giá trị dịng trung bình qua tải
Ta có L.

Do đó

di t
+ R.it + E = U
dt

T
di
1
1
.∫ L . t +
T 0
T
dt

T

∫ R . it d t +
0

1
T

T

∫ E t.dt =
0

1
T

T

∫ U t.dt
0

R.It + E = γ U
=> It =

γU −E
R

+ Dịng trung bình qua van Is =

−t

Với a1 = e τ

−1

L U (1−b 1 )(1−a1 .b 1)
.
R
T .(1−a1 )

tn

b1 = e τ Rút gọn ta có Is = γIt

+Dịng trung bình qua Diot
ID =

U . L .(1−a1 . b 1)(1−b1−1) E
- ( 1−γ )=( 1−γ ) It
R
1−a1

+ 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 TỐN, 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 tốn lựa chọn các phần tử trong mạch
a) Tính tốn động cơ:
Thơng số động cơ: P= 1kW, Udm= 200V, Idm= 10A, Ikt=0.5A, ndm=3000v/p
Tốc độ định mức của động cơ:
w dm=¿¿

ndm 3000
=
=314 (rad/s)
9.55 9.55

Điện trở phần ứng
Rư = 0.5(1-

Pdm
1000
)= 0.5(1)= 0.25(Ω).
Udm . Idm
200.10

Điện áp phần ứng:
Eư =Udm- Rư . Idm= 200-0.27x10=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 tốn
như sau: khi bỏ qua sự sụt áp trên các van
+Dịng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- γ )It Với giá trị dòng điện định mức
động cơ là Itđm =18(A)
Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt
thơng gió, khi đó dịng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm
Lúc đó dịng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A)
Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp
trên các van ) là: Ungmax=E=200(V)
Chọn hệ số quá điện áp ku = 2 nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V).
c) Lựa chọn van IGBT
Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển
hồn tồn là IGBT.
+Tính dịng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:
Dịng điện trung bình chạy qua van lµ : IS = γ It
Với giá trị dịng điện định mức động cơ là Itđm =18(A)
+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt
thơng gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm.
Lúc đó dịng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A).
Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp
trên các van ) là Ungmax=E=400(V).
Chọn hệ số quá điện áp ku = 2 nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V).

Loại
BSM50GB60DL
C

NSX
eupec

GmbH

Điện áp
Vcemax
(V)

Dịng
điện
ICmax (A) ở
25oC

Điện áp
Vgeth
(V)

Cơng suất
Ptotmax
(W)

R
(K/R)

600

75

5,5

250

0.5


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch điều khiển:
Tạo điện áp
tam giác

Uph

So sánh

Khâu xử lý tín
hiệu

Khâu tạo điện
áp điêu khiển

Logic và phân
xung

Cực điều khiển
IGBT

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)
1
R1
1
4 . RC .
R2
Hay tần số xung f = T =
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 μF . 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 U RC với Uđk để
quyết định thời điểm mở van IGBT. Cho Uđk và U RC
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 URC  Uđk thì U = Uđk – URC < 0  Uso sánh = âm điện áp bão hoà.
+ 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 U ss1 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
USS1
USS1
tử NAND có tín hiệu ra có thể điều chỉnh nhờ
tín hiệu vào EN để quyết định trạng thái ra của
USS2
USS2. Tín hiệu EN điều khiển lúc nào thì cần EN
đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ nguyên. Phần
tử NAND trong khâu xử lý tín hiệu có thể
Khâu xử lý tín hiệu
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 ni 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 tốn 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.

T =4 RC
Chu kỳ dao động:

R1
R2

Chọn tần số băm xung f = 400 Hz

R1
1 1
T =4 RC
T= =
=0 , 0025 s=2,5 ms
R2 = 2,5 ms
f 400
Ta có:
. Suy ra:
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 hồ của IC
khoảng (80% ¿ 90%).12V ¿ 10V. Ta tính chọn R1, R2, R, C để điện áp ra max của
điện áp răng cưa là 10V. Khi đó ta có:

R2
R1
⇒

=

U cc 12
= =1,2
U rc 10

R2 = 1,2.R1

Chọn R1 = 33 k Ω
Ω

⇒ RC=2,5 .10−3 .
chọn C = 0,1

thì R2 = 1,2.R1 = 1,2.33 = 39,6 k Ω , lấy giá trị chuẩn là 39 k

R2
4 . R1

=2,5. 10−3 .

1,2
4 = 0,75.10-3

μF suy ra R = 7,5 k Ω


b) Khâu so sánh.
Điện áp răng cưa có giá trị max = 10V sau khi được tạo thành
từ khâu tạo dao động và răng cưa được đưa vào khâu so sánh và
được so sánh với điện áp U đk để tạo thành điện áp Uss1. Điện áp
điều khiển đưa vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều
chỉnh giá trị trong khoảng – 10V đến + 10V.
c)

Khâu xử lý tín hiệu.

Khâu xử lý tín hiệu bao gồm 1 phần tử NAND làm nhiệm vụ đảo dấu tín hiệu
USS1 thành USS2. Phần tử NAND trong khâu xử lý tín hiệu có thể được chọn là một vi
mạch của họ CMOS 74Cxx. Tín hiệu vào EN được đưa vào từ bên ngồi trên cơ sở
những thơng tin thu thập được từ khâu phản hồi.Tín hiệu EN dùng để điều khiển lúc nào

thì cần đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ ngun. quy tắc điều khiển của EN:

USS1

USS1

Tín
hiệu vào

Tín
hiệu ra

USS2

U ENU
E
N

U
SS1

S

S

S

S

1

2

Khâu xử lý tín hiệu

1

1

1

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

Mức 1, 0 thể hiện ở giá điện áp vào tương ứng ở mức cao, thấp.
Khi EN = 1: Khâu có 2 tín hiệu ra trái dấu nhau: USS1 và USS2 = - USS1
Khi EN = 0 : Khâu có 2 tín hiệu ra bằng nhau: USS1 và USS2 = USS1
Nói cách khác: tín hiệu EN sử dụng khi cần cho động cơ hãm và khi đó EN = 0.
d) Khâu lơgic phân xung.
Khâu lơgic phân xung dùng tín hiệu USS1 và USS2 đã qua khâu xử lý tín hiệu để làm
tín hiệu vào. Khâu này sử dụng một IC GD75188 họ CMOS gồm 4 phần tử NAND có
cấu tạo như hình vẽ bên.