Đồ án môn học
Điện tử công suất
Nội dung :
Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều với các thông số sau:
+ P = 1 kW.
+ U = 48 VDC.
+ n = 1000 v/ph.
Giáo viên h ớng dẫn: T.S Dơng Văn Nghi.
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Tuấn Nghĩa.
Trần Bình Dơng.
Nguyễn Công Chiến.
Nguyễn Hữu Nam.
1
Lời nói đầu
Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nớc, ngày càng có nhiều
thiết bị bán dẫn công suất hiện đại đợc sử dụng rộng rãi trong trong tất cả các lĩnh vực sản
xuất, phục vụ đời sống con ngời. 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 nh trong lĩnh vực giao thông nói
riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng lợng ngày càng đợc 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 hớng giảm vì các nhợc điểm nh: Tiêu hao nhiều năng lợng, ô nhiễm môi trờng
Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng
đợc 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 lợng 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 tơng lai đáp ứng đợc nhu cầu
cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Nội dung của đồ án:

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 dòng 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 đờng 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.
3
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 không kinh tế. Trong trờng hợp này ngời ta lấy t lới điện xoay chiều một pha có tần số
50Hz ữ 60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lu đợc nguồn một
chiều. Thông thờng cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đờng sắt trong thành phố dùng điện một
chiều từ 600 ữ 700V (với TH đờng ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đờng dây trên không).
Trong cả hai trờng hợp trên thì ngời ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lu từ lới điện xoay
chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lợng cao.
Đối với ôtô điện ngời ta cũng lấy từ đờng dây trên không nếu công suất động cơ truyền
tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì ngời ta
dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải.
Nhng nhợc điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy đợc quãng đờng ngắn, điều
này gây bất tiện cho ngới sử dụng. Vì vậy loại này chỉ khả dụng trong trờng hợp công nghệ
chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu
trong truyền động giao thông.
Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều trong lĩnh vực này trớc
hết ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnh vực giao thông.
2. Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông.


+


=

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 ít cho
nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích
song song rất cứng. Với đặc điểm nh vậy, động
cơ điện kích thích song song đợc dùng trong
những trờng hợp tốc độ hầu nh không đổi khi
tải thay đổi.
b. Động cơ điện kích thích nối tiếp.
ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng :
I
t
= I=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:
=K

.I
trong đó hệ số tỷ lệ K

chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I
đm
; còn khi I >(0,8 ữ 0,9)I

u
M
nếu bỏ qua R thì:
M
U
n =
hay: M=
2
2
n
U
Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối
tiếp có dạng là đờng hypebol bậc hai.
Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích
nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M
tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số
rất lớn. Vì vậy thờng chỉ cho phép động cơ làm
việc với tải tối thiều P
2
=(0,2 ữ 0,25)P
đm
. Từ dạng
đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ
của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm động
cơ nối tiếp rất u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một
vùng rộng.
c. Động cơ điện kích thích hỗn hợp:
Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây quấn
kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngợc nhau. Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng loại
kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm việc ổn định. Động

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 đ-
ợc 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
), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hớng
giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phơng pháp này không thích hợp trong
trờng hợp động cơ kéo tải giao thông.
Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay
dới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên U
đm
của động cơ. Phơng pháp này
cho phép điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:
+ Hiệu suất điều chỉnh cao.
7
+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U mômen ngắn mạch M
nm
giảm,
dòng ngắn mạch I
nm
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 một mômen là nh nhau.
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh.
Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn

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 đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz). Thực tế thờng dùng tần số băm
khoảng 400Hz ữ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc
Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi
dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới
500Hz).
9
Tải
Chỉnh lu
không điều
khiển
L
2




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:
Thay đổi độ rộng xung (t
1
).
Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
11
BBĐ
một
chiều
U
S
U
ra

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
S
khi
1
1
t
f =
và U
ra=0
khi f=0.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên. Thực tế phơng pháp biến đổi độ rộng
xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.

+ 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
U
W
2. Biến đổi tăng áp:
Sơ đồ nh sau:
Đặc điểm: L
1
nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L
1

L1
D1
U
S
U
r
a
C
lọ
c
Tải
K
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 l-
ợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn.

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
.
Để giảm độ gợn sóng của I
tải
và U
tải

S
, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ
nên ít thông dụng.
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 loại B.
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.
15
L1





R
E
D
2
D

d
) ta cho 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

I
d
BiÓu ®å d¹ng sãng dßng, ¸p
Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét :
+ Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S
2
dẫn trớc hoặc ngay 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

paIIppI
ú
ddd
)(
)()0()(

=+
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:
18
min
)(

p
a
apR
EU
pI
ú
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
).

min
=I
d
R
E
A
B
R
U
I
ú



=

1
1
1
max
1
1
.
R
E
A
ABA
R
U
I

0
1
c. Giá trị trung bình của dòng tải :
Từ phơng trình của mạch tải ta có:
dd
d
UERi
dt
di
L =++

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

1
1
minmax





=

=

(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(



EU
R
dtti
T
dtti
T
I
0 0
1
)[(
1
)(
1
)(
1


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


SS
D
I
R
EU
R
E
A
BAB
TR
L
R
U
I
2. Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B kép).
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
thờng gặp.
2.1. Điều khiển đối xứng :
21

L1

R E
i
d

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
>>0 nên đến =0, muốn khoá S
2
& S
4
ta cần khoá cỡng bức bằng cách phát
xung âm vào cực điều khiển .Khi đã khoá S
2
& S
4
,dòng tải i
d
= I
min
không thể đảo chiều ngay
lập tức do tải điện cảm .Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũ theo mạch D
1
E D
3

sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầu bằng 0 và đổi chiều
Diễn biến hoạt động của sơ đồ đợc mô tả theo biểu đồ dạng sóng nh sau:
22
U
S
i
đk1
i
đk2
u
d
-U
S
u
S1
, i
S1
i
S
u
D1
, i
D1
Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên các phần tử
2. TÝnh c¸c biÓu thøc cã liªn quan:
23
a. Tìm biểu thức của dòng tải :
Khi (D
1
, D

Khi (D
2
, D
4
) và ( S
2
, S
4
) dẫn thì : U
d
= - U
S
,do đó phơng trình mạch tải sẽ là:
Sd
d
UERi
dt
di
L =++
Vậy
)(
max
)(
.)1.()(
TtaTta
S
d
eIe
R
EU

=


1
111
)1(
min
1
12
.
1
1.2
.

R
E
A
BA
R
U
I
S


+
=

1
1
11

1
1
2
1
1
.2
)(
)(
Tta
SS
e
A
B
R
U
R
EU
ti





+
+
=
Với
T
t
2

00
=+=
==
+==




Vậy nếu ta thay đổi đợc ta sẽ điều chỉnh đợc U
d
.
Cụ thể :
=0,5 U
d
=0Động cơ đợc đặt điện áp
>0,5 U
d
>0Động cơ quay thuận.
<0,5 U
d
<0Động cơ quay ngợc.
c. Giá trị trung bình của dòng qua diod D
1
và D
3
:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1

E
R
U
A
BAB
aTR
U
dtti
T
I
SS
SS
t
D
d. Giá trị trung bình dòng qua van :
)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2
.
1
11
1
1


U
I =

f. Độ đập mạch dòng tải:
)1.(
.).1.(
.
1
)1).(1(
.
1
)1(
.
2
.2
2
1
11
1
1
1
11
1
11
minmax


=



= T
L
U
I
S
2.2. Điều khiển không đối xứng :
25