Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng)
để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu
cho trước:
Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc HuyÒn
Nhãm ®å ¸n §TCS 5 – Líp T§H2 K48
Ph¬ng ¸n 4.
Phương
án
Điện áp
lưới (VAC)
Dòng điện định
mức
Điện áp phần
ứng
Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
1 110 20 120 10:1
2 220 8 220 15:1
3 380 15 100 20:1
4 127 V 6 A 400 V 25:1
5 300 10 600 15:1
Mục lục
Đề bài 1
Lời nói đầu 2
Chơng I
Giới thiệu về động cơ điện một chiều
I.1 Đặt vấn đề
I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
I.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập
I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều.

42

2
Chơng IV
Thiết kế mạch điều khiển
IV.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
IV.2. Nguyên lý của mạch điều khiển
54
Lời nói đầu
ng dng in t cụng sut trong truyn ng in iu khin tc ng
c in l lnh vc quan trng v ngy cng phỏt trin. Cỏc nh sn xut khụng
ngng cho ra i cỏc sn phm v cụng ngh mi v cỏc phn t bỏn dn cụng sut
v cỏc thit b iu khin i kốm. Do ú khi thc hin ỏn chỳng em ó c gng
cp nht nhng kin thc mi nht, nhng cụng ngh mi trong lnh vc iu
khin cỏc phn t bỏn dn cụng sut. Vi yờu cu thit k mch bm xung mt
chiu iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp cú yờu cu o chiu
quay theo nguyờn tc i xng , chỳng em ó c gng tỡm hiu k v cỏc phng
ỏn cụng ngh sao cho bn thit k va m bo yờu cu k thut, yờu cu kinh t .
Vi hy vng ỏn in t cụng sut ny l mt bn thit k k thut cú th ỏp
dng c trong thc t nờn chỳng em ó c gng mụ t c th, t m v tớnh toỏn
c th cỏc thụng s ca cỏc s mch.
Mc dự chỳng em ó rt n lc v c gng lm vic vi tinh thn hc hi v
quyt tõm cao nht tuy nhiờn õy l ln u tiờn chỳng em lm ỏn, v c bit
do trỡnh hiu bit ca chỳng em cũn nhiu hn ch nờn chỳng em khụng th
trỏnh khi nhng sai sút, chỳng em mong nhn c s phờ bỡnh gúp ý ca cỏc
thy giỳp chỳng em hiu rừ hn cỏc vn trong ỏn cng nh nhng ng
dng thc t ca nú bn ỏn ca chỳng em c hon thin hn .V chỳng em
hi vng trong mt tng lai khụng xa, chỳng em cú th ỏp dng nhng kin thc
v hiu bit thu c t chớnh ỏn u tiờn trong cuc i sinh viờn ca chỳng
em vo thc t cng nh s phỏt trin hn nú trong cỏc ỏn sau ny.

động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nh bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi
phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một
chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ữ
85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ữ 94% .Công suất
lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài
trăm cho đến 1000v. Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu
kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề
rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi
đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế
bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều

4
kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong những phơng pháp đợc
dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập
với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phơng pháp đối xứng .Đây là một phơng
pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và đợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng
và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này.
I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nh máy phát điện một chiều ngời
ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có
các loại động cơ điện loại:
- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần
ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = I.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp
ko đổi, mạch kích từ đợc mắc song song với mạch phần ứng nên I = I
u



=

Thông qua phơng trình này, ta có thể thấy đợc sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào
mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đa ra phơng án để
điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất.
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.
Thờng dạng của đặc tính là đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen
ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ
Ngời ta đa thêm đại lợng




=
M
để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng
cứng (

càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và ngợc lại.
Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ biến đổi nhiều
thay đổi.


o
M
Mnm
Mt

t
0
+U: điện áp phần ứng.
+E: sức điện động phần ứng.
+R: điện trở mạch phần ứng : R=r +r
cf
+r
b
+r
ct
+r: điện trở cuộn dây phần ứng.
+r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ.
+r
i
: điện trở cuộn bù.
+r
ct
: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+I: dòng điện mạch phần ứng.
+E đợc xác định theo biểu thức sau:

==


Vì vậy

n
a
pN
E
u
=
60K
K
K
e
105,0
55,9
==
Suy ra

u
fu
u
I
K
RR
K


+


=
7
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen
điện từ bằng M.
Ta có
M
K
RR
K
U
fu
u
2
)(
+


=

Đây là phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập. Đồ thị hình vẽ:
Nhận xét :
+ I=0 hoặc M=O ta có

=
0
K
RI
K
U
u8


o
M
Mnm
Mt

t
0


=

+


=
0
2
)(



Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lợng là: U, R, I.
Nh vậy thông qua các đại lợng biến thiên này mà ta có thể điều khiển đợc tốc độ
động cơ điện một chiều.

b) Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính
của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản
xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phơng pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân
hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay
của động cơ điện thờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ
làm việc nh mở máy ,hãm máy và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật
mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thờng căn cứ vào một số chỉ
tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này đợc tính khi thiết kế và điều chỉnh
động cơ điện
Trong thực tế có 3 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
+ Điều chỉnh điện áp cho phần ứng 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.
b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng đợc với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song
làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn nh: máy phát
điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển có chức năng biến năng
lợng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E
b
điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển
Uđk.


0
Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ
không tải lí tởng tuỳ thuộc giá trị U
đk
của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói
phơng pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó có
thể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng
với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.
+Với một cơ cấu máy cụ thể có
dmM
MK ,,
max0

xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh
D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng




dm
dm
M
M

max0
minmin


=


=
==
M
dm
dmM
dm
M
dm
dmnm
K
M
MK
M
D
K
M
MM








dt
d
rr
e
i
k
kb
k
u

+
+
=

r
k
: điện trở dây quấn phần ứng.
r
b
: điện trở nguồn đIện áp kích thích.
k

: số vòng dây cuộn kích từ.
Thờng khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng U
đm
do đó các đặc tính cơ
thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng

11

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế
so với phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phơng pháp thay đổi từ thông bị
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp
điện. Cụ thể phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm hơn nh sau
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi
ta ding phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển
nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác
định là nh nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có
nguồn áp điều chỉnh đợc xong nó là không đáng kể so với vai trò và u đIểm của nó.
Vậy nên phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi.
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.
1.3.1 Các góc phần t làm việc

12
II:Hãm II: Động cơ
II: Hãm
II:Động cơ
P
c
=M
d
<0
P
c
=M


ngợc chiều với M).
Công suất cơ P
cơ
=M
đ
.

Công suất điện của động cơ P
đ
=P
cơ
+

P (

P: tổn hao công suất)
1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
a) Khởi động
Xuất phát từ phơng trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u
fu
u
I
K
RR
K
U


13
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay,
Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc, và hãm
động năng.
b.1) Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng. Khi đó
U > E. Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới. So với chế độ
động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức

0
0
<

=

=
R
KK
R
EU
I
uu
h


hh
IKM =
. Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụ tải
thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ
00

uu
h
RR
EU
I
+

=

Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép:
dmnm
II 5,22 ữ=
c) Hãm động năng
Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của
động cơ đợc tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêu
tán dới dạng nhiệt

14
c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập
Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm

hu
hd
hu
u
hd
RR
K
RR
E

1.3.3 Vấn dề 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 phơng pháp phù hợp và tính
toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản
theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là
+ Không đổi: thang máy (1)
+ Tăng: nh trong quạt gió, bơm
+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt
gọt kim loại

15
Ta thờng mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ
phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi.
Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trờng hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều
chỉnh.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng đợc chọn là phù hợp.
giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộ
băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.
I.4.Phân tích các phơng án tổng thể.
I.4.1.các chỉ tiêu đánh giá
I.4.1.1.Hệ số đập mạch điện áp ra các bộ chỉnh lu
Điện áp ra các bộ chỉnh lu có hệ số đập mạch:
k
dm
=
0
d1
U
d
U


1
2
3
4
16
Hệ số đập mạch k
dm
ở 1 số sơ đồ chỉnh lu với các góc mở khác nhau:

0
0
30
0
60
0
89
0
Chỉnh lu tia 3
pha
0.25 0.50 1.32 43
Chỉnh lu cầu
3 pha
0.057 0.206 0.597 19.64
I.4.1.2.Công suât tính toán MBA nguồn S
ba
:
S
ba
Chỉnh lu tia 3 pha

-Điện áp ra bộ chỉnh lu cầu 3 pha không điều khiển có hệ số đập mạch là 0.057 khá
bằng phẳng nên giảm đuợc kích thớc, khối luợng bộ lọc trớc khi cấp cho mạch băm
áp 1 chiều.

18
-Mạch băm áp 1 chiều với tần số băm xung 200-400 Hz đã có thể cho chất lợng
điện áp ra khá tốt
-Ngoài ra bộ băm xung 1 chiều làm viêc tin cậy, độ chính xác cao, dễ điều chỉnh.
Qua phân tích trên ta they với yêu cầu thiết bị gọn nhẹ, chất lợng điện áp tốt thì
chọn sơ đồ băm xung 1 chiều có đảo chiều là hợp lý.

19
Chng II
BM XUNG MT CHIU (BXDC)
II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC):
BXDC cú chc nng bin i in ỏp mt chiu, nú cú u im l cú th
thay i in ỏp trong mt phm vi rng m hiu sut ca b bin i cao vỡ tn
tht ca b bin i ch yu trờn cỏc phn t úng ct rt nh.
So với các phơng pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động
cơ một chiều nh phơng pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều,
bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lu có điều khiển thì
phơng pháp dùng mạch băm xung có nhiều u điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và
đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lợng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo
đợc trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày
càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có
hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp,
kích thớc nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công
suất nhỏ.
in th trung bỡnh u ra s c iu khin theo mc mong mun mc dự
in th u vo cú th l hng s (c qui, pin) hoc bin thiờn (u ra ca chnh

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < 1).
II.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:
1
d 1
t
U .U t .f.U
T
= =
Vậy U
d
= U .
T
f
1
1
=

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.
II.1.3 Nhn xột
õy ta chn cỏch thay i rng xung, phg phỏp ny gi l PWM
(Pulse Width Modulation).Theo phng phỏp ny tõn s bm xung s l hng
s.Vic iu khin trng thỏi úng m ca van da vo viờc so sỏnh mt in ỏp
iu khin vi mt súng tun hon (thng l dng tam giỏc(Sawtooth)) cú biờn

d
U. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:

on
off
on
t
off
t
U
ra
22
d
I
U
W
U
= =
Sơ đồ nh sau:
Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L

không
tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L S -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C
(đã
đợc tích điện trớc đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L D Tải. Vì từ thông trong L không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm e

chỉ đóng
vai trò tích luỹ năng lợng. C đóng vai trò lọc
b. Hot ng
+ S đóng, trên L
1
có U, dòng chạy từ +U S L
1
-U. Năng lợng tích luỹ
trong cuộn cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
d
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ S 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
d
sẽ ngợc chiều với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |U
d
| có thể lớn hơn
hay nhỏ hơn U ngu n
II.2.4 B Chopper lp C (B o dũng)
a) S nguyờn lý

24
Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương

đặt lên động cơ làU.
Trong khoảng
T t Tγ ≤ ≤
,
2
S
dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua
2
S
,điện
áp đặt lên động cơ là 0.
c) Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải

25