Chơng I
Khái quát công nghệ
1. Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông.
Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng nh ở
đầu máy kéo là đợc sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì
động cơ KĐB là loại động cơ đợc sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành
bảo dỡng sửa chữa thấp Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng đợc hoặc nếu
thực hiện đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền. Vì vậy,
động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế đợc trong những lĩnh vực
nói trên.
ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản xuất nh
hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông.
Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng u việt của nó là :
Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt
Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp.
Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một
chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao hơn
trong dải điều chỉnh rộng.
Thực tế là ở các nớc phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại động cơ
điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới trong tơng lai. Một
mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đợc
nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dong áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là
động cơ điện không gây ô nhiễm môi trờng nh các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao.
Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đa đến việc đa động cơ điện vào giao thông ngày
càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nớc phát triển nh Mỹ, Đức, Pháp, TQ . đa số hệ thống đ-
ờng sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều đợc cung cấp bằng điện áp một chiều qua đờng dây
trên không hoặc đờng ray thứ ba.
Đối với hệ thống đờng sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ giao
thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đờng dây một chiều là thích hợp. Nhng đối với trờng
hợp khoảng cách xa hơn, nh giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều là

M
M
đm
rồi từ đó đa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực đang đề cập
tới.
3. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.
a. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song.
Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)
M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2

+


=

Với những điều kiện U=const, I
t
=const thì từ thông của động cơ hầu nh không đổi. Vì vậy
quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng.
Do R rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ
không đến định mức thì tốc độ giảm rất

2

*
M
*
M
đm



=
KC
R
MKCe
UC
n
e
u
M
.

.
nếu bỏ qua R thì:
M
U
n =
hay: M=
2
2
n

Từ những tính chất của từng loại động cơ nh đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải và
những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối
tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đợc những yêu cầu về truyền động. Ta có thể nêu u
điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan
điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:
+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao
thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.
+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép làm
việc ở môi trờng kéo tải nặng nề.
+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nên khả năng chịu tải của
động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng
trong nghành giao thông có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải.
Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng. Tuy nhiên ngời ta cũng
dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà vẫn đảm
bảo tốt các yêu cầu truyền động.
4. Các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phơng
pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh
bằng phơng pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí
bấy nhiêu.
Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông .
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi có thể thay đổi đợc liên tục & giữ đợc
hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có
công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhng do bình thờng động cơ làm việc ở chế độ định mức,
ứng với kích thích tối đa (=
đm
=
max

loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lu tiristor động cơ một chiều luôn đi kèm theo
việc đa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn.
Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì thiết
bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ
và điều kiện môi trờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thớc nhỏ gọn
(tính cả lọc), nên rất phù hợp với ôtô điện.
Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lợc về các
yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọn thiết bị đáp
ứng đợc các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1
cách chu kì .Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một
chiều U
tb
có trị số có thể điều chỉnh đợc. Điện áp U
tb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay
đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U
tb
<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<U
tb
<0.
Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi
,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế
về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc
của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập mạch thì
tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của
bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đợc bộ biến

nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế.
Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khả năng
kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng .
Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện
thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ
đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt
nhất định, nâng cao đợc chất lợng điều chỉnh.
Chơng II
Bộ băm xung áp một chiều
Nh đã giới thiệu ở chơng trớc, bộ băm xung áp một chiều có nhiều u điểm trong truyền
động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn
U
S
một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một
chiều, ở chơng này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phơng pháp điều
chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế.
I. Nguyên lý
Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau.
U
ra
là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t
1
và độ nghỉ t
2
. Điện áp ra bằng giá trị trung
bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công
suất bằng phơng pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng
thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ.
II. Ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra
Có hai phơng pháp:

U .
.
1

==
trong đó đặt:
T
t
1
=

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < 1).
2. Phơng pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t
1
=const. Khi đó:
SStai
UftU
T
t
U
1
1
==
Vậy U
ra
=U

+ K đóng U
S
đợc đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tởng thì U
tải
= U
S
(nếu bỏ qua sụt áp trên các
van trong bộ biến đổi).
+ K mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng I
tải
do năng lợng tích luỹ trong
cuộn L và L
tải
, dòng chạy qua D, do đó U
ra
=U
tải
=0.
Nh vậy, U
tải tb
U
S
. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:

==
S
tai
I
U

L
dt
d
w

=
, có cùng cực tính U
S
.
Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
làm D thông U
tải
=U
S
+e
L
. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U
S
ở chế độ liên tục và năng lợng
truyền ra tải dới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
L1
D1
U
S
U

-U
S
. Năng lợng tích luỹ trong cuộn
cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
tải
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ K ngắt, cuộn cảm L
1
sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp đóng D thông
năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; U
tải
sẽ ngợc chiều với U
S
.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U
S
. Giá trị tuyệt đối |U
tải
| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn
U
S
.
4. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:
Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn U
S
.

lọc
Tải
K
IV. Một số sơ đồ băm xung áp
Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ
mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của các dạng cơ bản
nh đã giới thiệu ở mục trên.
Dới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:
Một loại cho phép tái sinh năng lợng và cho dòng tải liên tục.
Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện đợc hãm tái sinh năng lợng và có thể
áp dụng đợc nhiều chế độ điều khiển khác nhau.
1. Sơ đồ băm xung áp mạch đơn (loại A).
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này nh sau:
Giải thích:
+ S1,S2 là loại điều khiển hoàn toàn.
+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó
E là sức phản điện động của động cơ.
+ D1là Diod hoàn năng lợng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lợng tái sinh cho nguồn.
1.1. Hoạt động của sơ đồ :
Để chiều dòng điện tải nh hình vẽ ta cho S1 hoạt động nh một khoá đóng cắt ;còn S
2
không làm việc .Khi S
1
mở dòng điện từ nguồn chảy qua S
1
qua tải và trở về âm nguồn .Khi S
1
khoá dòng tảI đợc khép mạch qua điod D
1
đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S

2
và D
2
vào vận hành còn S
1
ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn E
> 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S
2
xuất hiện dòng điện chạy
ngợc lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:P
đt
= I
d
.E > 0.
Công suất lúc này đợc tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S
2
ngắt, trên điện cảm L sinh ra
sức điện động tự cảm (U
L
) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp
nguồn U
S
làm D
2
dẫn ngợc dòng về nguồn và trả lại phần năng lợng đã tích luỹ trong cuộn
cảm L.
Để đảm bảo S
2
dẫn dòng điện ngợc ngay khi dòng thuận qua D
1

dẫn trớc hoặc sau khi dòng
qua D
1
tắt.
+ Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ
bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển đợc bằng cách thay đổi thời gian
dẫn của S
1
và S
2
.
Nhận xét:
Ưu đIểm của sơ đồ này là:
+ Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm.
+ Có thể thực hiện đợc quá trình tái sinh năng lợng.
1.2. Các biểu thức có liên quan:
Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó:
E: Sức phản điện động của động cơ
R: Điện trở dây quấn của động cơ
L: Điện cảm dây quấn của động cơ
a. Xác định I
max
và I
min
:
Khi H đóng mạch (tơng đơng với việc mở S
1
) ta có :
Sd
d

=+
Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì I
d
=0. Nhng sau một vàI chu kỳ, dòng I
d
sẽ
biến động và xác lập giữa hai giá trị I
max
và I
min
( Do D
1
& D
2
dẫn khi S
1
khoá).
Do đó I
d
(0)=I
min
. Thay vào phơng trình trên ta đợc:
min
)(
)()( I
p
a
R
EU
paIppI

d
+
+
+

=
Tra bảng gốc ảnh ta tìm đợc:
atat
ú
d
eIe
R
EU
ti

+

= .)1.()(
min
Khi mạch hở ( tơng đơng với việc khoá S
1
mở S
2
).
Ta có phơng trình trong giai đoạn D
1
dẫn :
0=++ ERi
dt
di

B
R
U
I
ú



=

1
1
1
max
1
1
.
R
E
A
ABA
R
U
I
ú



=
1

dt
di
L =++

=++
T
d
TT
d
T
d
dtU
T
Edt
T
dtRi
Tdt
di
L
T
0000
1111
úd
UERI

=++ 0
R
EU
I
ú


=

=

(Khi lấy giá trị xấp xỉ nh trên ta coi R=0)
Từ biểu thức vừa tính đợc ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô I
d
là hàm của tỷ số
chu kỳ .Từ đó ta có ;

L
TU
L
UT
d
Id
úú
I
22
.).1(




=

Cho
5,00
max

1
)[(
1
)(
1
)(
1


)1(
)1).(1.(
.
1
11
1
1
AT
BABU
R
L
S



dT
II


f. Giá trị trung bình qua diod :
)1.()1.(

BAB
TR
L
R
U
I
2. Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B).
Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ:
S1,S2,S3,S4:Là các van điều khiển hoàn toàn
Truyền động trong giao thông cũng đòi hỏi phải đổi chiều quay. Sơ đồ trên cho phép điều
chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt ,đặc tính làm việc của động cơ có thể ở
cả 4 góc phần t.
Sơ đồ có thể có nhiều chế độ điều khiển,dới đây ta sẽ giới thiệu hai chế độ điều khiển th-
ờng gặp.
2.1. Điều khiển đối xứng :
1. Hoạt động:
Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S
1
ữS
4
đều hoạt động. Giả thiết S
2
và S
4
đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B A).
- Tại thời điểm t=0 đa xung mở S1 và S3. Vì trớc thời đIểm phát xung một khoảnh khắc
thì i
S2
=I
S4

u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2
S
3

cảm .Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũ theo mạch D
1
E D
3
tải D
1
và suy giảm dần . Khi
đó D1 & D3 dẫn dòng .
- Đến t=t1 : Khi dòng qua D
1
và D
3
suy giảm về 0 thì S

2. Tính các biểu thức có liên quan:
a. Tìm biểu thức của dòng tải :
Khi (D
1
, D
3
) & (S
1
, S
3
) dẫn :
Trong giai đoạn này điện áp trên tảI là U
T
=U
S
,do đó phơng trình mạch tảI sẽ là:
U
S
-U
S
Sd
d
UERi
dt
di
L =++
Giải tơng tự nh ở sơ đồ 1 ( băm loại A) ta có:
atat
S
d

max
)(
.)1.()(
TtaTta
S
d
eIe
R
EU
ti


+
+
=
Ta cũng tìm đợc:
R
E
A
ABA
R
U
R
E
e
ee
R
U
I
S

S


+
=

1
1
11
max
1
21
.
at
SS
e
A
BA
R
U
R
EU
ti



+

=
1



+
+
=
Với
T
t
2
=

(Tỷ số chu kỳ )
Từ biểu đồ dạng sóng của dòng /áp tải ta có:
b. Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
SS
SSSS
T
t
S
t
S
T
dd
UU
UUTTUTU
T
dtUdtU
T
dtu
T

1
và D
3
:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1





+



.
.2
.
1
11
1
1








=

R
U
R
EU
A
BAB
aTR
U
R
EU
I
SSSS
T

1
11
minmax


=




=

+
=

=

T
L
U
L
TR
R
U
A
BAB
R
U
A
BABA


D
1
D
4
S
1
S
4
u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2
S
3







R E
i
d


D
1
D
4
S
1
S
4
u
d
U
S

C


D
2
D
3
S
2
S
3