THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

----------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO
PHẦN
ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Điệp
Sinh viên thực hiện
Lớp
MSV

: Hoàng Trọng Hiếu
: D13TDH&DKTBCN1

: 1781410332

Hà Nội, tháng 6 năm 2021


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa
học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là cơng nghiệp điện tử thì
các thiết bị điện tử có cơng suất lớn cũng được chế tạo ngày càng
nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc

dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh
mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp
của cơng nghiệp thì ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để
tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa
– hiện đại hóa của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay
đổi nâng cao để đưa cơng nghệ tự động điều khiển vào trong sản
xuất. Do đó đồi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an
tồn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần
phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này thì nhà nước ta cần phải có đội ngũ
thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành Tự Động Hóa tương
lại khơng xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó mà cần phải tự trang
bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy
đồ án mơn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi
sinh viên Tự Động Hóa. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng
hợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện để cho sinh viện ngành
Tự Động Hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử cơng
suất. Mặc dù vậy, với sinh viên cịn đang ngồi trên ghế nhà trường
thì kinh nghiệm thực tế cịn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự
hướng dẫn giúp đỡ của thầy cô giáo. Cho em được gửi lời cảm ơn tới
cơ Nguyễn Thị Điệp đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ
án mơn học này.
Đồ án này hồn thành khơng những giúp em có được thêm nhiều
kiến thức hơn về mơn học mà cịn giúp em được tiếp xúc với một
phương pháp làm việc chủ động hơn, linh hoạt hơn. Quá trình làm đồ
án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt.

2

MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động cơ 1 chiều kích từ độc lập......................................4
1.1.

Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập.........................................................4

1.1.1.

Cấu tạo:...............................................................................................................................4

1.1.2.

Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:..............................5

1.1.3.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:.................................................................8

1.2.

Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều.........................................................................11

1.2.1.

Khái niệm chung...............................................................................................................11

1.2.2.

Nguyên lý chung của băm xung một chiều....................................................................11

1.2.3.

Các phương pháp điều khiển..........................................................................................12

1.2.4.

Giới thiệu về van bán dẫn...............................................................................................13

Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch lực..................................................................................................17
2.1.

Thiết kế mạch lực.....................................................................................................................17

2.2.

Tính chọn các phần tử trong mạch.........................................................................................17

2.2.1.

Tính tốn một số phần tử dựa trên thơng số động cơ..................................................17

2.2.2.

Tính chọn điện cảm..........................................................................................................18

2.2.3.

Tính chọn van...................................................................................................................19

2.2.4.

Tính chọn mạch bảo vệ....................................................................................................20

Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển......................................................................................21
3.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM............................................................................21
3.2. Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa.......................................................................22
3.2.1. Phân tích.................................................................................................................................22
3.2.2. Tính chọn................................................................................................................................23
3.3. Khâu so sánh..................................................................................................................................23
3.4. Khâu khuếch đại và cách ly quang...............................................................................................24
3.5. Khâu tạo điện áp điều khiển........................................................................................................25
Chương 4: Mô phỏng...............................................................................................................................27
4.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM........................................................................................27
4.2. Mô phỏng sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển..........................................................................28
Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển.................................................................................34
5.1. Nội dung đã tìm hiểu....................................................................................................................34
5.2. Những hạn chế chưa làm được...............................................................................................34
5.3. Phương hướng phát triển:.......................................................................................................34

3


Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động
cơ 1 chiều kích từ độc lập
1.1. Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1.1. Cấu tạo động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần: phần tĩnh (stator) và phần
động (rotor)

1.1.1.
Cấu tạo:
A. Phần tĩnh (Stator):
a. Cực từ chính:
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và
dây qn kích từ lồng ngồi 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 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 ứng (Armature):
a. Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thông thường dùng những lá thép
kỹ thuẩ điện dày 0.5mm 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:
4


Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dịng điện
chạy qua. Thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Trong máy điện
nhỏ thường dùng dây có tiết diện trịn, 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 dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến
đồng hình đi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến
1.2mm và hợp thành một hình trụ trịn. Đi vành góp có cao hơn
lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các
phiến góp được dễ dàng.
1.1.2.
Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập:
Động cơ một chiều kích từ độc lập có cấu tạo 2 phần riêng biệt: phần
cảm bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông, phần
ứng là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than. Tác
động giữa từ thơng và dịng điện phần ứng tạo nên mơ men quay
động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông
tạo nên sức điện động. Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc
lập được trình bày trên hình 1.1 dưới đây:

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý
Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hịa, khe hở khơng khí đồng đều,
phần ứng được bù đủ, các thơng số động cơ khơng đổi. Ta có thể lập
sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên hình 1.2

5


Hình 1.3. Sơ đồ thay thế
Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư

(1-1)

Trong đó:
Uư – điện áp phần ứng (V)
Eư – sức điện động phần ứng (V)
Rư – điện trở của mạch phần ứng (Ω)
Rf – điện trở phụ của mạch phần ứng (Ω)
Iư – dòng điện mạch phần ứng (A)
Với Rư = rư + rcf + rb + rct
rư – điện trở cuộn dây phần ứng
rcf – điện trở cuộn cực từ phụ
rb – điện trở cuộn bù
rct – điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu
thức:
Eư =Kɸ

(1-2)

Trong đó:
pN
K = 2 a - hệ số cấu tạo của động cơ

p – số đôi cực từ chính
N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới
một mặt cực từ
α – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
6


ɸ - từ thơng kích từ dưới một cực từ (Wb)

 - tốc độ góc (rad/s)
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì:

E�  K e n

và



2 n
n

60 9.55

(1-3)

Từ (1-1) và (1-2) ta có:

U� R� Rf

I�
K
K



(1-4)

Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt
khác mô men điện từ Mdt của động cơ được xác định bởi biểu thức:

Mdt  K I �

Suy ra

I�

(1-5)

Mdt
K

Thay giá trị Iư vào biểu thức (1-4) ta được:



U� R� Rf

Mdt
K (K )2

(1-6)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ thì mơ men cơ trên trục động cơ bằng mô
men điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M:



U� R� Rf


M
K (K )2

(1-7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thơng ɸ = const, thì các
phương trình đặc tính cơ
(1-7) là tuyến tính. Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trên
hình dưới đây là đường thẳng:

7


Hình 1.4. Đặc tính cơ – điện

Hình 1.5. Đặc tính cơ
Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:



U�
 0
K

(1-8)

0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, khi =0 ta có:

I�

Và

U
 I nm
R� Rf

M  K I nm  Mnm

(1-9)
(1-10)

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mơ men mở máy. Mặt
khác, phương trình đặc tính cơ (1-4), (1-7) cũng có thể viết dưới
dạng:




U� RI

 0 Vc
K K

(1-11)

U� RM

 0 Vc
K (K )2

(1-12)

8


Trong đó:

R  R� Rf
Vc 

Vc

,

0 

U�
K

R
R
I�
M
K
(K )2

được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của mô men tải M

Khi Rf = 0, ɸ = ɸđm và Uư = Uưđm ta có đặc tính cơ tự nhiên.

1.1.3.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:
A. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
Giả thiết ɸ = ɸđm, điện trở phụ Rf = 0. Khi thay đổi điện áp theo
hướng giảm so với Uđm ta có:

Tốc độ khơng tải:

0 

U
K  dm . Khi U giảm thì ω giảm theo
ư
0

( K  dm )2
 
 const
Ru
Độ cứng đặc tính cơ:

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một
họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.6. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm điện áp đặt vào phần ứng
Đặc điểm:
-

Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh
Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong tồn bộ giải điều chỉnh
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn giải điều chỉnh ứng với một mô
men là như nhau
9


Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất
khơng vượt q sai số cho phép cho toàn giải điều chỉnh
- Dải điều chỉnh của phương pháp này là D ~ 10:1
- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi
với Uư≤Uđm)
- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay
đổi trơn điện áp
B. Phương pháp điều chỉnh từ thông
-

Giả thiết: U = Uđm, điện trở phụ Rf = 0. Muốn thay đổi từ thong ta
thay đổi dịng điện kích từ I kt động cơ trong đoạn tuyến tính của đặc
tính từ hóa

Tốc độ khơng tải lý tưởng:

Độ cứng đặc tính cơ:

 

0 

U

K  dm

( K  dm ) 2
Ru

Khi từ thông giảm, độ cứng đặc tính cơ mềm hơn:

Hình 1.7. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thơng
Đặc điểm:
-

-

Từ thơng cảng giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng của đặc tính
cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn
Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng
Có thể điều chỉnh thay đổi dải điều chỉnh
Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng
Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thơng nên các đặc
tính sẽ cắt nhau và do đó với tải khơng lớn (M1) thì tốc độ tăng
khi từ thông giảm
Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở tải không quá lớn so
với định mức
10


Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện
ở mạch kích từ với dịng kích từ là 1-10% dòng định mức của
phần ứng, tổn hao điều chỉnh thấp

C. Phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng
-

Giả thiết Uư = Uđm và ɸ = ɸđm. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng
ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tưởng:

Độ cứng đặc tính cơ:

 

0 

U
K  dm . Khi U giảm
ư

0 giảm theo.

( K  dm )2
 const
Ru

Như vậy, khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở
có dạng như hình dưới đây

Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
thay đổi điện trở phụ phần ứng
Đặc điểm:

-

Khi tăng Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm
Dịng điện khởi động và mơ men mở máy cũng giảm
Ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi
động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

1.2. Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều
1.2.1.
Khái niệm chung
Băm xung một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều
ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định. Băm xung một chiều
được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo
nguồn ổn áp dải rộng, … Tuy nhiên, bộ băm xung một chiều cũng có
những ưu và nhược điểm khác nhau như sau.
11


Ưu điểm:
-

-

-

Hiệu suất cao vì tổn hao cơng suất trong bộ biến đổi là không
đáng kể so với các bộ biến liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là
nhỏ
Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường
vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa Transitor mà khơng

phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều
chỉnh liên tục khác
Kích thước gọn nhẹ

Nhược điểm:
-

Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng qn tính điều chỉnh
Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh

Các bộ băm xung mộ chiều được phân thành băm xung một chiều
khơng đảo chiều và có đảo chiều dịng tải. Cấu trúc thực tế thường
gặp của băm xung một chiều gồm các khâu chủ yếu sau:

Hình 1.9. Cấu trúc chung của băm xung một chiều
Trong đó:
 E – nguồn một chiều (có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu)
 LVĐ – bộ lọc đầu vào, là các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn
các ảnh hưởng tần số cao của băm xung đối với nguồn
 MV – mạch hình thành từ các van bán dẫn, chủ yếu là van điều
khiển hoàn toàn
 LĐR – bộ lọc đầu ra có nhiệm vụ san phẳng dịng điện hay điện
áp ra tải, tương tự như lọc một chiều trong chỉnh lưu
1.2.2.
Nguyên lý chung của băm xung một chiều
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.9.
Giữa nguồn một chiều E và tải R t là van Tr làm việc như một khóa
điện tử, hoạt động của băm xung một chiều là cho van đóng cắt theo
chu kỳ với quy luật:
-

Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khóa Tr đóng mạch),
điện áp trên tải Ut sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E;
Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn
nên Ut = 0
12


Hình 1.10. Nguyên lý băm xung một chiều
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải nhận được sẽ là:
t

t
10
Ut  �
Edt  0 E   E
T0
T

(1-13)

Trong đó:
 t0 – thời gian van Tr dẫn
 γ – tham số điều chỉnh
 T – chu kỳ đóng cắt của van
Biếu thức (1-13) chi thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách
thay đổi tham số γ. Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện
áp một chiều E thành các “xung” điện áp đầu ra nên thiết bị này có
tên là băm xung áp một chiều.
1.2.3.

Các phương pháp điều khiển
Các phương pháp điều khiển chủ yếu là thay đổi tham số γ của biểu
thức (1-13) ở phần trên. Có 3 phương pháp chình cho phép thay đổi
tham số γ là:
-

-

Thay đổi thời gian t0 còn giữ chu kỳ T là không đổi, như vậy ta
dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá
trình điều chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều
chế độ rộng xung: PWM (Pulse With Modulation)
Thay đổi chu kỳ T, còn giữ thời gian t 0 không đổi. Cách này
ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải
được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì
vậy được gọi là phương pháp xung – tần. Phương pháp này
không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong dải rộng, vì
tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng
khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khí tính tốn
thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch
thuộc hệ có tham số biến đổi
13


-

Thay đổi thời gian t0 đồng thời thay đổi luôn cả chu kỳ T. Cách
này thay đổi cả độ rộng của xung và thay đổi tần số lặp lại của
xung này, vì vậy phương pháp này được gọi là phương pháp
xung – thời gian.

1.2.4.
Giới thiệu về van bán dẫn
Theo nguyên lý hoạt động ở trên ta thấy rằng van bán dẫn thích hợp
cho băm xung một chiều phải là van cho phép điều khiển cả mở và
khóa, tức là van điều khiển hoàn toàn như các loại transistor. Loại
van bán điều khiển như thyristor là khơng phù hợp vì ở đây van phải
làm việc với điện áp một chiều và ln là chiều thuận, do vậy khơng
cịn giai đoạn điện áp âm của nguồn điện để khóa thyristor như trong
mạch chỉnh lưu hay điều áp xoay chiều. Trong các loại van thường
dùng trong băm xung áp một chiều chủ yếu là van MOSFET và IGBT
với ưu điểm vượt trội ở khả năng đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơn
giản và cơng suất điều khiển lại khá nhỏ đến mức có thể IC hóa phần
điều khiển. Nếu so sánh 2 loại van này thì MOSFET thua kém hơn
nhiều cả về khả năng mang dòng và chịu điện áp, tuy nhiên MOSFET
làm việc được với tần số đến MHZ trong khi IGBT thường dưới
100kHZ. Do vậy trong đồ án này em chọn sử dọng van MOSFET.
A. Cấu tạo của van MOSFET
Van MOSFET có cấu tạo được biểu diễn như hình dưới đây:

Hình 1.11. Cấu tạo của MOSFET
Trong đó:
 G (Gate): cực cổng, G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn
với cấu trúc bán dẫn cịn lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng
có độ cách điện cực lớn dioxit – silic
 S (Source): cực nguồn
 D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện
B. Ký hiệu của MOSFET:
14

C. Đặc tuyến vơn – ampe, điều kiện mở khóa van MOSFET:

Hình 1.12. Đặc tính vào ra của MOSFET
MOSFET là bóng trường với 3 cực Drain (D); Source (S) và Gate (G).
Bình thường bóng cũng cần có Uds > 0. Các trạng thái tương ứng chế
độ van điện tử:
-

Trạng thái khóa: UGS ≤ 0
Trạng thái dẫn: UGS > 0. Và để mở bão hịa bóng cần có điện áp
điều khiển vượt giá trị nhất định (thường lớn hơn 10V)

MOSFET là van điều khiển bằng điện áp chứ không phải bằng dịng
điện như BT. Vì thế để đánh giá khả năng khuếch đại của bóng phải
dùng tham số “độ hỗ dẫn gFS” thể hiện trên đặc tính truyền đạt của
bóng.
D. Phân tích và chọn sơ đồ băm xung áp một chiều:
Do yêu cầu của đề bài nên trong bài này em chọn sơ đồ băm xung
áp một chiều nối tiếp. Dưới đây là sơ đồ bộ băm xung một chiều nối
tiếp:

15


Hình 1.13. Sơ đồ băm xung một chiều nối tiếp
Quá trình năng lượng xảy ra như sau:
-

-

Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của
nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: U t =
E. vì dịng điện từ nguồn cấp cho tải phải đi qua điện cảm L nên
điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van dẫn
Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van khóa,
điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dịng
điện qua L vẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i 2),
lúc này Ut = -UD ≈ 0.

Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có
thể liên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường
mong muốn chế độ dòng điện là liên tục. Vì vậy trong tính tốn thiết
kế cũng dựa trên việc đảm bảo chế độ làm việc này cho băm xung
một chiều, cũng vì thế dưới đây chỉ đề cập chế độ này. Trong chế độ
dòng điện liện tục, tải có thể có dạng RLE t hay RL (coi Et = 0) đều
vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (1-13)

Dòng trung bình qua tải:

It 

Ut  E  E t

Rt
Rt

(1-14)

Bằng phương pháp giải mạch có quy luật biến thiên dịng điện tải

trong hai giai đoạn là:

i1 

i2 

1


E
E a1(b1  1)e
 t
Rt
1 a1
Rt
1
1

(1-15)

1


E
E (a1  b )e
 t
Rt
1 a1
Rt

(1-16)

16


L
t
T

a1  exp(- ) b1  exp( 0 )
Rt là hằng số thời gian
 , cịn
 ,
Trong đó:
của mạch tải

I max 
Giá trị lớn nhất của dòng điện:
17)

Giá trị nhỏ nhất của dòng điện:

I min 

E 1 b11 Et

Rt 1 a1 Rt

(1-

E a1(b1  1) Et

Rt 1 a1
Rt

E (1 b11)(1 a1b1)
I  I max  I min 
Rt
1 a1
Độ dao động dòng tải:

(1-18)

(1-19)

Biểu thức này cho thấy độ đạp mạch dịng khơng phụ thuộc vào tải
là RL hay RLE, khi tải có sức điện động E t ảnh hưởng đến giá trị tức
thời của dòng điện làm giảm giá trị số một lượng bằng E t/Rt so với
trường hợp tải Rl. Có thể coi gần đúng hệ số đập mạch theo biểu
thức:

K dm 

I (1 b11)(1 a1 b1)

2I1
1 a1

(1-20)

Khảo sát cho thấy giá trị đập mạch dòng điện này phụ thuộc vào γ
và đạt cực đại khi γ = 0.5
Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính tốn
chính xác các giá trị số trung bình dòng qua transistor và điốt sẽ cho
các biểu thức phức tạp không tiện sử dụng và cũng không thật cần
thiết trong thực tế. Vì vậy thường dùng phương pháp đơn giản hóa
bằng cách coi dịng điện biến thiên tuyến tính như hình 1.13

17


Hình 1.14. Đồ thị dịng tuyến tính hóa
Lúc đó:

IT 

I max  I min
2

(1-21)

Và phép tính tích phân i1 hay i2 chính là tính các diện tích hình thang
sẽ được:

I Tr 

1 t0
1 (I max  I min )
i1dt 
 0.5 (I max  I min )

�
T 0
T
2

(1-22)

ID 

1 Tt0
i2dt  0.5(1  )(I max  I min )  I t  I Tr
0
T�

(1-23)

Như vậy biểu thức tính dịng trung bình qua các van đơn giản hẳn đi.
Các biểu thức này cho thấy với cùng một dịng tải thì dòng điện qua
Tr sẽ lớn nhất khi γ = γmax, ngược lại với γ = γmin thì dịng điện qua
điốt D sẽ cực đại. Dựa vào đây người ta có thể xác định dịng trung
bình lớn nhất chảy qua các van khi làm việc để chọn van. Điện áp lớn
nhất van Tr phải chịu bằng điện áp nguồn E, điện áp ngược lớn nhất
đặt lên điốt cũng bằng E

Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch lực
18


2.1. Thiết kế mạch lực
Dưới đây là sơ đồ mạch lực:

Hình 2.3. Sơ đồ mạch lực
Trong sơ đồ gồm có:
Van Mosfet
Diode D1: dùng để chống điện áp ngược đặt lên van
R13, C3: bảo vệ xung áp trên van
C2: tụ lọc đầu vào
Động cơ

-

2.2. Tính chọn các phần tử trong mạch
2.2.1.
Tính tốn một số phần tử dựa trên thơng số động
cơ
Theo u cầu của đề bài ta có những thơng số sau:
P=16.3 kW; Uđm=280V; Iđm=64.4A; n=2200v/p
Từ yêu cầu của đề bài ta có thể tính tốn được một số biểu thức dựa
trên thông số của động cơ như dưới đây:
Tốc độ định mức của động cơ:

-

dm 

n
2200

 230.36( rad / s)
9.55 9.55

Mô men định mức:

-

M dm 

K 

Ru 

Pdm 16.3 �103

 70.75( Nm)
dm
230.36

(2-2)

Hệ số Kɸ:

-

-

(2-1)

M dm 70.75

 1.098
I dm

64.4

(2-3)

Điện trở phần ứng:

U dm  K �dm 280  1.098 �230.36

 0.42()
I dm
64.4

(2-4)
19


-

Sức điện động phần ứng:

Eu  K �dm  1.098 �230.36  252.93(V )
-

Điện áp ra tải:

U t  Eu  I u �Ru  252.93  64.4 �0.42  279.978(V )

-

-



(2-6)

Dòng điện tải:

U t  Eu 279.978  252.93

 64.42( A)
Ru
0.42

It 

(2-5)

(2-7)

Hệ số điều chỉnh:

U t 279.987

 0.903
E
310

(2-8)

Ta có dải điều chỉnh là 2:1 nên dòng qua van lớn nhất khi γmax và

dòng qua diode lớn nhất khi γmin. Lại có: ωmax=ωđm tương ứng với
Uư=Uđm
�  max 

U dm 280

 0.903
E
310

(2-9)

ωmin=ωđm/2=115.18 (rad/s) tương ứng với Uư=U1

�  min 

U1 153.53

 0.495
E
310

(2-10)

Trong đó:
U1  K ( 

Ru
0.42
�M )  1.098(115.18 

�70.75)  153.53(V )
2
( K )
(1.098) 2

Từ 2 biểu thức (2-9) và (2-10) ta có γ=(0.495 ÷0.9032)
2.2.2.
Tính chọn điện cảm
Trong bài này em tính chọn điện cảm để đảm bảo chế độ dòng điện
liên tục ở giới hạn điều chỉnh. Khi càng tăng tham số điều chỉnh γ thì
mạch càng dễ chuyển sang chế độ dịng gián đoạn, vì vậy khi biết
giá trị điều chỉnh nhỏ nhất γ = γmin thì có thể tính được giá trị điện
cảm tối thiểu cần thiết để dòng điện vẫn liên tục ở giá trị γmin này.

Ta có:

L

 min (1   min ) E
I . f

(2-11)

Ở chế độ ranh giới về dòng điện ta lại có:
20


I  I max  I min  I max I min  0
(
)

(2-12)

Vì coi dịng là tuyến tính nên ta có:

It 

I max  I min I max I


� I  2 I t
2
2
2

(2-13)

Cuối cùng ta được:

L

 min (1   min ) E 0.495(1  0.495)

 4.85(  H )
2It f
2 �64.4 �400

(2-14)

 Chọn L=5μH

2.2.3.
Tính chọn van
A. Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện
Trong trường hợp dòng tải ln đảm bảo được giá trị cực đại trong
q trình điều chỉnh Itmax=64.42 (A). Dòng điện qua Mosfet lớn nhất
với γ=γmax=0.9032; khi đó dịng điện qua van là:

I v   max �I t max  0.932 �64.42  60.0208( A)

(2-15)

Dịng điện qua diode lớn nhất với γ=γmin=0.495; khi đó dòng điện
qua diode
I D  (1   min ) �I t max  (1  0.495) �64.4  32.522( A)

(2-16)

B. Chọn van theo chỉ tiêu điện áp
Chọn tải thuần trở, với điện áp nguồn 310VDC và giả sử điện trở tải
bằng 20Ω sẽ có giá trị hiệu dụng của dịng tải lớn nhất. ta có chỉ tiêu
chọn van theo điện áp như sau:

U v  K uv �U ngmax  2 �437  874(V )

(2-17)

Trong đó:
 Kuv: hệ số dự trữ về điện áp cho van, thường lấy từ 1.7 – 2.2
 Ungmax=1.41×310=437 (V)
Từ những thơng số trên, tra bảng phụ lục sách “hướng dẫn thiết kế

các bộ biến đổi” của Phạm Quốc Hải em chọn diode B3-320 và
Mosfet SML1001RBN
 Chọn diode
Ký hiệu
B3-320
Trong đó:

Itb (A)
320

Ihd (A)
500

Uđm (V)
150 – 3800

Uv (V)
0.8
21


 Itb: giá trị trung bình của dịng điện cho phép chảy qua diode
trong đk chuẩn
 Ihd: giá trị hiệu dụng của dòng điện cho phép chảy qua diode
trong đk chuẩn
 Uđm: giá trị cực đại của điện áp cho phép đặt lên diode
 Uv: giá trị trung bình sụt áp trên diode khi dẫn dòng điện
 Chọn Mosfet
Ký hiệu
SML1001RB

N
Trong đó:







ID (A)
11

RDS (Ω) PD (W)
1
310

UDS (V)
1000

UGSS (V)
30

UGS(th) (V)
±30

ID: dịng cực máng tối đa cho phép
RDS: điện trở DS khi dẫn
PD: công suất phát nhiệt tối đa
UDS: điện áp tối đa cho phép giữa các cực
UGSS: điện áp GS cực đại cho phép

UGS(th): điện áp GS ngưỡng

2.2.4.
Tính chọn mạch bảo vệ
Biện pháp bảo vệ thông dụng nhất hiện nay là dùng mạch RC mắc
song song với van và phải đặt càng gần van càng tốt sao cho dây nối
ngắn tối đa. Khi van dẫn sẽ xuất hiện dịng phóng từ tụ C qua van
làm nóng thêm cho van nên cần phải có điện trở R để hạn chế dịng
điện này. Việc xác định trị số RC ở đây em dùng theo phương pháp
chọn theo kinh nghiệm thực tế: R có thể chọn từ (10 – 100) Ω; C có
thể chọn từ (0.1 – 2) μF (van càng lớn thì tụ lớn hơn và điện trở nhỏ
đi).
Do vậy trong bài này em chọn: R13 = 50Ω và C3 = 1μF

 Các thiết bị đã chọn trong mạch lực:
TT
1
2
3
4
5

Tên thiết bị
Tụ điện
Điện trở
Cuộn cảm
Mosfet
Diode

Số lượng

1
1
1
1
1

Thông số
C=(1μF)
R=50(Ω)
L=5(μH)
SML1001RBN
B3-320

22


Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển
3.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM
Mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp điều khiển. Phương
pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM thực hiện băm xung với tần số
không đổi f=const, điện áp ra tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng
khoảng dẫn của van t0=var. Để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu
trúc hình 3.1 dưới đây và phía dưới là đồ thị minh họa nguyên lý hoạt
động.

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc và đồ thị điều khiển băm xung một chiều
kiểu PWM
Chức năng các khâu là:
-

-

Khâu phát xung chủ đạo: nhằm tạo dạo động với tần số cố định
nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi
Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ
đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số
γ
Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa U rc với điện
áp điều khiển Uđk, điểm cân bằng giữa chúng là điểm t 0. Do đó
khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t 0 và do đó thay
đổi tham số điều chỉnh γ. Điện áp của khâu này có dang xung
tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn

23


-

Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở
khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với van
lực theo tính chất điều khiển của van lực

3.2. Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
3.2.1. Phân tích
Khâu tạo răng cưa cho phép tạo ở đầu ra của khuếch đại thuật toán
OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của
OA1 là dao động điện áp là xung chữ nhật. Dưới đây là khâu phát
xung và khâu tạo điện áp răng cưa

Hình 3.5. Khâu phát xung và tạo điện áp răng cưa cùng với đồ thị

OA1 là mạch lật kiểu trigo Schmitt, do đó đầu ra chỉ có 2 trạng thái
tối đa tương ứng 2 giá trị cực đại +U m hoặc –Um. Nếu dùng cụm hai
diode ổn áp đấu nối tiếp Dz1, Dz2 thì U m=(UDz + 0.7)V; nếu khơng
dùng thì như thơng thường Um=Ubh của OA. Cụm các diode ổn áp có
tác dụng chống bão hịa sâu cho OA để có thể phản ứng nhanh do
giảm thời gian trễ lật trạng thái.
Sự biến thiên của đầu ra OA2 thông qua điện trở R 3 tác động đến cửa
(+) của OA1, mỗi khi điện thế này về đến không sẽ làm trigo lật sang
trạng thái đổi dấu điện áp đầu ra. Lập tức bộ tích phân cũng đảo
chiều biến thiên và mạch bắt đầu mộ quy trình ngược với giai đoạn
trước …
Phân tích cho thấy mức ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó có
giá trị gọi là điện áp ngưỡng và bằng:

R
U ng  � 3 U m
R2

(3-1)

Có thể biến xung tam giác hai cực tính thành một cực tính nếu sử
dụng thêm mạch dịch điện áp bằng cụm điện trở treo R 4 và R5. Lúc
này điện áp ở hai đầu ra Ura1 và Ura2 sẽ được dịch đi một giá trị là:
24


U ra 

U rc / R4  E / R5
1/ R4  1/ R5

(3-2)

Do đó điện áp Ura sẽ bằng không khi tử số của biểu thức này về bằng
không, điều đó có nghĩa giá trị U rc phải trái dấu nguồn E. Mặt khác
điện áp răng cưa có giá trị biên độ là U m, nên có điều kiện để răng
cưa tam giác trở thành một cực tính:

U m E
R U

0� 4  m
R4
R5
R5
E

(3-3)

Và đây cũng chính là điều kiện để chọn các điện trở R4 và R5
3.2.2. Tính chọn
Với tần số 400Hz thì chu kỳ làm việc của băm xung là:

T

1
1

 2.5 �103 ( s)
f 400

15V và sử dụng cụm diode ổn áp đấu nối
Chọn điện áp nguồn E  �
tiếp với đầu, với Uoa=12V, ta có điện áp cực đại U m= Uoa+UDz
=12+0.7=12.7V
Do sự biến thiên của điện áp ta rút ra:

Um
U
T
12.7
�  2U ng � C �R1  m �T 
�2.5 �103  0.793 �103
C �R1 2
4U ng
4 �10
0.793 �103
R1 
 36.04 �103   36.04k 
9
22
�
10
Chọn tụ C1=22nF suy ra:

 Chọn biến trở 40kΩ vào vị trí R1 để hiệu chỉnh tần số băm xung
Từ biểu thức (3-1) ta có:

R3 U ng
10



 0.787 � R3  0.787 R2
R2 U m 12.7
, tức là nếu R2=10kΩ thì
R3=7.87kΩ. Tuy nhiên ta chọn R2=10kΩ và R3 là biến trở 10kΩ để
chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam tam
giác 10V
Từ biểu thức (3-3) ta có :

R4 U m 12.7


 0.846 � R4  0.846 R5
R5
E
15
, chọn R5=20kΩ thì R4=16.92kΩ
 Chọn R4 là biến trở 20kΩ để hiệu chỉnh mạch
25