Mục lục
Đề bài 1
Lời nói đầu 2
Chương 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.
I.3.1 Các góc phần tư làm việc
I.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập
I.3.3 Vấn dề phụ tải
4

Chương II
Mạch băm xung
II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC)
II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung
II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung
II.1.3 Nhn xét
II.2 Các s bm xung
II.2.1 S gim áp (Step-down (Buck))
II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))
II.2.3 S bm o cc (Step-down/up (buck-boost))
II.2.4 B o dòng
II.2.5 B o áp
II.2.6 B Chopper lp E
1. S nguyên lý
2. Các phng pháp iu khin
II.3 Kt lun

Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc HuyÒn

Nhãm ®å ¸n §TCS 5 – Líp T§H2 K48

Lêi nãi ®Çu Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ
động cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất
không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn
công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em
đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh
vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm
xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu
cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng , chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ
về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật,
yêu cầu kinh tế . Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế
kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ
thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch.

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi
và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và
đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em
Phương


Chương I
Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả
về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan
trọng , không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống
sinh hoạt của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là
mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp.
Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy
điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải...,
cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất
lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử
dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí
nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị
cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép,
máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để
chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều
kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn ... nhưng do những ưu

người 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
ư
.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện
áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = I
u
+I
t

- Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích
từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I
ư
=I
t
.
- Kích thích hỗn hợp ta có: I = I
u
+I
t

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật
điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu
tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và
biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này.
I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
+Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n)
và mômen (M) của động cơ có dạng chung

Thường dạng của đặc tính là đường 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
Người ta đưa thêm đại lượng





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

càng lớn) tức là 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
biến đổi nhiều thay đổi. Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta
đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen
(hoặc dòng điện) của động cơ.

kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
ufuuu
IRREU )(

+U
ư
: điện áp phần ứng.
+E
ư
: sức điện động phần ứng.
+R
ư
: điện trở mạch phần ứng : R
ư
=r
ư
+r
cf
+r
b
+r
ct

+r
ư
: điện trở cuộn dây phần ứng.
+r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ.

+: tốc độ góc.

a
pN
K

2


Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ.

nKE
eu
55,9/60/2 nn


Vì vậy

n
a
pN
E
u

60

Suy ra

KMI
dtu
/

Thay vào (*) ta được

dt
fu
u
M
K
RR
K
U
2
)(






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

=0 hoặc M=O ta có

0




fu
u
RR
U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ = 0 thì
fu
u
RR
U
I


: Dòng điện ngắn mạch.
nmnm
MIKM ..
: Mômen ngắn mạch.





0
2
)(
M
K
RR
K
U
fu
uM
K
R
I
K
R
K
U
RRR
u
u
fu
2
0
)(




máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức
năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E
b
điều chỉnh nhờ
tín hiệu điều khiển Uđk. 9

Ta có phương trình



M
U
IKR
K
RR
K
E
RRIEE
dk
udmud
Km
udb
dm
b
udbuub



chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng




dm
dm
M
M


min0min
max0maxdmMcnm
MKMM
maxmin

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
môn men ngắn mạch là
dmMcnm
MKMM .
maxmin

(K
M
: là hế số mômen quá tải).
Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có


MM





10
Với
dmM
MK ,,
max0

xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào . Khi
điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn
điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động
cơ do đó có thể tính sơ bộ được:

10/
max0

dm
M

.
Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài
ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho.
Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp

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

: số vòng dây cuộn kích từ.
Thường 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 định mức, từ thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc
tính cơ tự nhiên).
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển
mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện
chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết
quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì
momen cơ cũng giảm đi rất nhanh.
b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phương trình đặc tính (*)

11

u
fu
u
I
K
RR

đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.
1.3.1 Các góc phần tư làm việc II:Hãm II: Động cơ
II: Hãm
II:Động cơ
P
c
=M
d
<0
P
c


Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần
tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ.
+ I, III: trạng thái động cơ (


cùng chiều với M).
+ II, IV: trạng thái hãm (

ngược 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 phương trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều


Với giá trị dòng 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 (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương
tự).
Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động.
Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu

dmnm
II 5,22

Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần
ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động còn
hạn chế được điện áp khởi đông. Do điều khiển là làm giảm áp.
b) Chế độ hãm.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ
quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, 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 tưởng.
Khi đó U
ư
> E
ư
. Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So
với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu
thức

0
0

năng lượng hữu ích.
Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn
theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cư làm trong góc phần tư thứ nhất.
Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu
mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển
động của động cơ xh trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới
0


od

b.2) Hãm ngược
Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ
phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của
động cơ, mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản
xuất.
b.2.1) Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải)
Đặc tính hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, Động cơ
làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới
điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn
thất lớn.
b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng
Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn

fu
uu
h
RR
EU
I




0
hdh
IKM

Chứng tỏ I
hd
và M
hd
ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ yếu được
tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.
c.2) Hãm động năng tự kích
Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây
kích từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp
hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra

14
khỏi lưới điện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình
hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là
hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích
thích và phi tuyến.so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả
kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu
việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ
năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể cả khi mất điện.

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 phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát
một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có
điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:
điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu
quả cao, đồng thời đảm bảo được 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 thước 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 lu), ti cú th thay i.Vi mt giỏ tr in th vo cho trc, in th
trung bỡnh u ra cú th iu khin theo hai cỏch:
- Thay i rng xung.
- Thay i tn s bm xung.

II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T. Giá trị trung

ra
là rộng (0 < 1).
II.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
TVậy U
d
= U .
T
f
1
1


Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp
biến đổi độ rộng xung được 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

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 trong bộ biến đổi).
+ S mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i
d
do năng lượng
tích luỹ trong cuộn L và L
tải
, dòng chạy qua D, do đó u
d
=0.
Như vậy, U
d
U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
d
I
U
W
U


Sơ đồ như 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. a. Sơ đồ mắc như sau:

Ti l ng c mmt chiu c thay bi mch tng ng R-L-E. L
1
chỉ
đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc
b. Hot ng
+ S đóng, trên L
1
có U, dòng chạy từ +U S L
1
-U. Năng lượng 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 ngược chiều với trường hợp
đóng D thông năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; u
d

2
D
,điện áp đặt lên động cơ là 0.
 Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng
0 t T  
,
2
S
ngắt,động cơ được nối nguồn qua
1
D
,điện áp
đặt lên động cơ làU.
Trong khoảng
T t T  
,
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

20 d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ.
Trong khoảng

dt
  
.
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
(t T) (t T)
max
E
i(t) (1 e ) I e
R
 
 
   T
min
T
U e 1 E
I
R R
e 1



 

 
 
 
 

d
I

d
i

1
D

2
D

1
S

2
S

t
t
t
t
0

0
0
0
d
U


R R
  
 

Độ nhấp nhô dòng điện:
T T (1 )T
max min
d
T
I I U 1 e e e
I
2 2R
e 1
 
  

 
   
 
  
 
 

 

Do
1

T
nên sử dụng công thức tính gần đúng


Dòng trung bình qua
2
S
(
2
D
) là:
2 d
I (1 )I   II.2.5 Bộ đảo áp

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Nguyên tắc điều khiển:
Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một
khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn γ.

22
c) Nguyên lý hoạt động
Chế độ động cơ (
0,5 1  
)
động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ
max
I
xuống
min
I
, ta có phương trình
di
Ri L E 0
dt
  
.
Các thông số của mạch
Biểu thức dòng tải
dk1
u

dk2
u

d
u
d
U

d
i

d
I


T

23
Trong khoảng
0 t T( 0,5)   
: điện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua
động cơ tăng từ I
min
tới I
max.
Phương trình dòng qua động cơ:
di
Ri L E U
dt
  

Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
min
U E
t t
i(t) .(1 e ) I .e
R

   
  
.
Trong khoảng
T
T( 0,5) t

 
   
 
 
trong đó
0,5   

Với điều kiện
T
i(0) i( ) I
min
2
 
, dựa vào hai phương trình trên ta có:
T
min
T
2
U e 1 E
I
R R
e 1



 

 
 
 

Độ nhấp nhô dòng điện:

max min
I I
U U
I (2 1)(1 )
d
2fL 16fL
2

       

Điện áp trung bình đặt trên động
cơ:
T
T
2
d d
0 0
2 2
U u dt Udt 2 U (2 1)U
T T

      
 

Dòng điện trung bình
d
d
U E (2 1)U E

0 t T  
động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng
điện qua động cơ tăng từ I
min
tới I
max
, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có
phương trình:
di
Ri L E
dt
 
(đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ
hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trình trong
khoảng xét ta được:
t t
min
E
i(t) (1 e ) I e
R
 
 
  
(1)
Trong khoảng
T
T t
2
  
, động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot


dk2
ud
i

d
U
d
I25

T 2 T 2
d d
0 T
2 2
U u dt ( U)dt (2 1)U
T T

Dũng in trung bỡnh l:
d
d
U ( E) E (1 2 )U

Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,điều
khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng .

2. Cỏc phng phỏp iu khin
a.Phương pháp điều khiển độc lập
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van
chạy ,cặp còn lại sẽ khoá.
+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ .
+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn .