Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước,
ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi
trong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Đặc biệt trong
lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn.
Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnh
vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm
năng lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế .
Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng, diezen
ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều năng
lượng, ô nhiễm môi trường Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ
thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện . Song song
với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó với
chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng
và thay thế các động cơ cũ.
Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứng
được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều. Do đó là một đề tài hay nên trong sau khi học xong môn Điện tử công
suất và truyền động điện, chúng em đã được Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên
khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài
“Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’

Chúng em xin chân thành cảm ơn!
1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại, chúng ta đã chứng kiến thấy
sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.
Trong sự phát triển đó ta cũng có thể chỉ ra rằng điện năng và máy tiêu thụ điện
năng đóng vai trò không thể thiếu được nếu không muốn nói là chủ chốt. Nó đi

Phương pháp được chọn ở đây là bộ băm xung, có thể đây chưa là phương pháp
mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi những
tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này.
1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều
1.2.1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều
người ta phân loại theo cách kích từ của động cơ. Theo đó ta có các loại động cơ
điện :
- Kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch
điện phần ứng và phần kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau
nên:
I=I
ư

- Kích từ song song: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và
điện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch điện phần
ứng nên:
I= I
ư
+ I
kt
- Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng,
cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng ít chế tạo dễ
dàng, ta có: I=I
ư
= I
kt

- Kích từ hỗn hợp: ta có
I = I

hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của cộng cơ là thẳng.
Thường dạng của đường đặc tính cơ mà là đường thẳng thì giao điểm với
trục hoành ứng với điểm mômen ngắn mạch, còn giao điểm với trục tung ứng
với điểm tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Người ta đưa ra đại lượng để đánh giá độ cứng của đường đặc tính cơ.
Đặc tính càng dốc càng cứng (β càng lớn) tức mômen biến đổi nhiều nhưng tốc
độ biến đổi ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến
đổi ít nhưng tốc độ thay đổi nhiều.

4
Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước
hết ta đi xét đặc tính cơ cua động cơ điện. Đó là mối quan hệ giữa tốc độ quay
với mômen (hoặc dòng điện ) của động cơ.
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động vận hành ở chế độ định mức
(điện áp, dòng điện, từ thông định mức, và không nối thêm các điện trở, điẹn
kháng vào động cơ ). Trên đường đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định
mức có giá trị (M
đm
;ω
đm
) hoặc (I
đm
;ω
đm
).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số
nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc
tính cơ (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc ).
a. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)
• I
ư
: dòng điện phần ứng (A)
Với R
ư
= r
ư
+ r
ct
+ r
i
+ r
cf
;
• r
ư
: điện trở cuộn dây phần ứng
• r
ct
: điện trở tiếp xúc của chổi than
• r
i
: điện trở cuộn bù
• r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ
Sức điện động E
ư

Suy ra:
Thay vào (*) ta được:
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất về thép thì mômen trên trục động cơ
(M) bằng mômen điện từ : M
đt
=M
cơ
=M. Ta có:
(**)
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
6












Đường đặc tính cơ có dạng:

nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc
độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thống truyền
động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ làm việc của động
cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làm
việc mở máy hay hãm máy và do đó gây ra sai số với tốc độ kỹ thuật như
mong muốn. Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc
điều chỉnh động cơ điện .Thực tế có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều:
+ Điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp
phần ứng cấp cho mạch kích từ.
+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song
song làm việc ở chế độ kích thích độc lập.loại này cần có thiết bị nguồn như:
máy phát điện một chiều cho bộ kích từ,các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức
năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động E
b
điều
chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển U
đk
.
8

Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Ta có phương trình :
E
b
– E

Trong đó K
M
là hệ số quá tải về mômen.Vì họ đặc tính cơ là các đường
thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

D =
Với xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến
tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ
điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần
ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có
đặc tính mômen không đổi.
• Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ
10
Điều chỉnh từ thông động cơ điện một chiều kích từ độc lập chính là điều
khiển mômen điện từ của động cơ và sức điện động quay của động cơ . Do
mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ
thông cũng là phi tuyến .

Từ sơ đồ trên ta được :

Với r
k
– Điện trở dây quấn kích thích (phần ứng),
r
b
– Điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ω
k

chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp thay đổi điện áp phần ứng có
các ưu điểm hơn như sau:
 Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để ), có
công suất tổn hao nhỏ.
 Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch
giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động
cơ.
 Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với mỗi mômen điều chỉnh xác
định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh caovaf phải có nguồn áp
điều chỉnh được, xong nó không đáng kể so với những ưu điểm của nó. Vậy nên
phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
12
 














1.3. Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều.
1.3.1. Các góc phần tư làm việc.

nm
=(22,5)I
đm
.
Với giá trị dòng khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và
phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Tác hại này còn nghiêm
trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động hãm máy nhiều lần trong quá
trình làm việc. Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm áp nguồn đặt vào
phần ứng động cơ điện hoặc nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng.
Trong đề tài này chúng em được yêu cầu thực hiện biện pháp giảm điện áp
nguồn đặt vào phần ứng động cơ. Dễ dàng nhận thấy biện pháp này là phù hợp
hơn vì khi khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được cả
điện áp khởi động (do điều khiển là làm giảm áp).
b. Chế độ hãm
Hãm là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra quay ngược chiều tốc độ
quay. Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược,
hãm động năng. Động cơ làm việc ở chế độ máy phát.
• Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi đó U
ư
<E
ư
động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới.So với
chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theo
biểu thức:
<0


trong phạm vi cho phép: I
hđ
(2

2,5)I
đm
, và phương trình đặc tính
cơ có dạng: 15
• Hãm động năng
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mang năng lượng cơ học của
động cơ được tích luỹ trong quá trình làm việctruowcs đó biến thành điện năng
tiêu tán dưới dạng nhiệt.
- Hãm động năng kích từ độc lập:
Khi ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện
trở hãm, còn mạch kích từ vẫn giữ nguyên.
Tại thời điểm ban đầu tốc độ động cơ có giá trị ω
hđ
nên:
E
hđ
=KФω
hđ
; Và dòng điện hãm:
Mômen hãm đầu:
Chứng tỏ I
hđ
và M




So với phương pháp hãm ngược thì hãm động năng có hiệu quả kém hơn
nhưng khi chúng có cùng tốc độ và cùng mômen cản M
c
. Tuy nhiên hãm động
năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không
tiêu thụ năng lượng từ lưới nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cố
mất điện lưới.
1.3.3.Vấn đề phụ tải
Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển động cơ
điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn các phương pháp phù hợp và
tính toán khác nhau. Có thể phân ra 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen
cản với tốc độ.Khi tốc độ động cơ thay đổi mômen phụ tải có thể là:
+ Không đổi : Thang máy ….(1)
+ Tăng: Quạt gió, bơm….(2)
+ Giảm: Các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính
máy cắt gọt kim loại…(3)
Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (M) vì vấn đề sẽ trở lên rất
phức tạp khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải thay đổi . Nên ở đây ta
chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh.
Qua sự phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù
hợp. Giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là bộ băm xung áp.Chính là
điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề
tiếp theo
17
CHƯƠNG II:MỘT SỐ MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) ỨNG
DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
2.1. Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC)

, giữ nguyên T. Giá trị trung bình
của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
1
d
t .U
U .U
T
= = γ
Trong đó đặt:
1
t
T
γ =
Là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < ε ≤ 1).
2.1.2. Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t
1
= const. Khi đó:
1
d 1
t
U .U t .f.U
T
= =
Vậy U
d
= U khi

2.2. Các dạng băm xung cơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ
đồ sau:
2.2.1. Xung áp nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý:

Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bán dẫn điều khiển).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S,cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính
chất cảm hoặc dung kháng. Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược U
d
có tác dụng
thoát để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
+ S đóng: U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì U
d
=U (nếu bỏ qua sụt áp
trên các van)
+ S mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện i
d
do năng lượng
tích luỹ trong cuộn cảm L và L
tải
, dòng chạy qua D do đó U
d
= 0.
22
Như vậy, U
d
U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt: W
I


Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch
tương đương R-L-E.
Nguyên lý hoạt động :
• Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γTđộng cơ được nối nguồn qua t
1
, điện áp đặt lên động cơ
là U.
Trong khoảng γT≤ t ≤T ,
1
S
ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua
2
D
, điện
áp đặt lên động cơ là 0.
• Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng
0 t T
≤ ≤ γ
,
2
S
ngắt, động cơ được nối nguồn qua
1
D
, điện áp
đặt lên động cơ là U.
Trong khoảng

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
ngắn mạch qua S
2
→ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công
suất điện từ của động cơ là:P
đt
= I
d
.E > 0.
Công suất lúc này được 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
24
(
(
#
#
động này lớn hơn điện áp nguồn U
S
làm D
2
dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại
phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.
Để đảm bảo S