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 đ ợc
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 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.
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

M
M
đm
chiều, 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

K
2

*
M
*
M
đm



=
KC
R
MKCe
UC
n
e
u
M
.

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

những phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp.
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 ph-
ơng 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 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
=

bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều.
Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trờng hợp tải của nó
là 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

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít
hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhng
Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trờng
làm việc 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 ph-
ơng 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

tai
U
T
Ut
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

kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngợc với U
ra
để thoát dòng tải khi khoá K
ngắt.
+ 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:

==

không giảm
tức thời về không do đó trong L
1
xuất hiện suất điện động tự cảm e
L
dt
d
w

=
, có cùng cực
L1
D1
U
S
U
ra
C
lọc
Tải
K
tính U
S
. Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
làm D thông U
tải
=U

S
, dòng chạy từ +U
S
K L
1
-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

Tải
K
Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận đợc điện áp ra tải
U
tải
cao hơn điện áp nguồn cung cấp U
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 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.
L1






1
đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S
1
khoá .
Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng i
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

S
U
d
I
d
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 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

R
EU
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:
min

I
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

t=T I
min
=I
d
R
E
A
B
R
U
I
ú



=

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

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(



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


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



D
I
R
EU
R
E
A
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
thờng gặp.
2.1. Điều khiển đối xứng :
1. Hoạt động:

L1

R E
i
d


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
tải D
1

Diễn biến hoạt động của sơ đồ đợc mô tả theo biểu đồ dạng sóng nh sau:
U
S
i
®k1
i
®k2
u
d
-U
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:
Sd
d
UERi

d
UERi
dt
di
L =++
Vậy
)(
max
)(
.)1.()(
TtaTta
S
d
eIe
R
EU
ti


+
+
=
Ta cũng tìm đợc:
R
E
A
ABA
R
U
R

R
E
A
BA
R
U
I
S


+
=

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

U
R
EU
ti





+
+
=
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

>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
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1


)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2
.
1
11
1
1








=

R
U
R
EU
A
BAB

2
1
11
1
1
1
11
1
11
minmax


=




=

+
=

=

T
L
U
L
TR
R

Mạch trên giống nh mạch đã phân tích ở sơ đồ 1 . Hoạt động giống nh đã phân tích ở
sơ đồ 1 .Theo trên điện áp trung bình trên tải là: U
d
=U
S
, do 0<<1 nên động cơ quay theo
chiều thuận .
+ Khi muốn đảo chiều quay ,cho động cơ quay theo chiều ngợc lạI .Ta cho S
1
nghỉ làm
việc hoàn toàn ;đồng thời cho S
2
và S
3
đóng mở luân phiên nhau ;còn S4 cho dẫn hoàn toàn Khi
đó ta có sơ đồ lúc làm việc nh sau :
Trong trờng hợp này ,giá trị trung bình điện áp đặt lên tải là U
d
=-U
S
<0 Động cơ
quay ngợc.
Nhận xét:

L1

R E
i
d



L1

R E
i
d


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

C


D
2
D
3
S
2