Đồ án môn học
Điện tử công suất
Nội dung

!"#
$ %&'()#
!***+#
Giáo viên h ớng dẫn: T.S Dơng Văn Nghi.
Nhóm sinh viên thực hiện:
, /,0#
1234(#
, ))#
, 56,#
Lời nói đầu
178987/9:-:;
<=>/87?@=A11B11/CD0EC
!
/9AAFF#GH81D0EIE@=A 
=>#
1D0EIE;J1D0E;
1K8LM2;IN8D?:-:?LM:
-#
3K7;1D0E8@=A9=OPO:-: 
;C4?QKD?9.1F###GR
F:ESTUV4878:-:?
:8#WE1Q;D:ELMC;QD7 
;/D/9CB-K2:UVN@=A:- 
J#
3@=A=>1DX?2
2QI8#
Néi dung cña ®å ¸n:

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
d
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 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
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.

)(
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 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.
# G8ee#
f

g
]
g
]

ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần
ứng : I

UC
n
e
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

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 phơng 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 .
j
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 d-
ới 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.
+ 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

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.
k
C
)IDl

Q
m
c






Z
(
)
!
)
c
WR-KD`S
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U
tb

!*
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.
!!
33G


$
W
$
1
$
1


!

c

U
ra

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
==
!c
Vậy U
ra
=U
S
khi
1
1

, 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:
!d
L1
D1
$
W
$
1
)
DT
C

==
S
tai
I
U
U
WƯ
2. Biến đổi tăng áp:

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:


==
1
1
S
tai

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
.
Để giảm độ gợn sóng của I

$
W
$
1
)
DT
C
Z
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.
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

c

=

=
$
W
)


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.

Y
=
3QR=7;=L9
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
và I
min

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
)(

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
#\1<14S=LC
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

11
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:
c!

L1

n o

=


(
!
(
%
W

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

và S
4
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:
cd
$
W

!

c

=
r$
W

W!
9
W!

W

(!
9
(!
3QR=7;=L91K2@
2. Tính các biểu thức có liên quan:
#4QXS=LC
Khi (D
1

min
c%
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



=


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

R
E
A
BA
R
U
I
S


+
=

1

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





+
+
=
Với
T

2
00
=+=
==
+==




Vậy nếu ta thay đổi đợc ta sẽ điều chỉnh đợc U
d
.
Cụ thể :
cf