TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐHSPKT
ĐHSPKT HUNG
HUNG YÊN
YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________
học.
TRƯƠNG ĐHSP KỸ THUẬT HUNG YEN CỘNG HOA XÃ HỘI CHU NGHĨA
VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỦ
ĐỘC LẬP- TỤ DO- HẠNH
NHẬN
XÉT
VÀ
ĐÁNH
GIÁ
CỦA
GIÁO
VIÊN HƯỚNG DẪN
PHÚC
ĐÒ ÁN MÔN HỌC

LÓ'P
: Kỹ thuật Điện

1/ Tên đề tài

: “ Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động


Mục Lục

Trang

Lời nói đần
5

: Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thong

6

Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. 6

1.

2. Động cơ Hybrid

7
3.

ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô
điện
10

Tống quan về động cơ điện một chiều.
11
3


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN

3.

4. Khâu so sánh

4


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
học.__________________________

đô án môn

6. Một số mạch phụ trợ khác

7.Sơ đồ khối kết nổi mạch điều khiển

Phân tích chất lượng tĩnh của hệ thống.
46
1. Chế độ tĩnh.

46

2. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ thống.

48

3. Kiếm tra chất lượng tĩnh của hệ thống.

57

thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cô đóng góp ý kiến đế đồ
án được hoàn thiện hơn.

Cấu trức và nôi dung chính của đề tài;
6


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

CHƯƠNGl: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG

1. Vai trò và ứng dụng của động CO’ điện trong lĩnh vực giao thông.

Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất
cũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vục
khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi
nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng 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 được hoặc nếu
thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đối đi kèm (như bộ biến tần ...) rất
đắt tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay
thế được trong những lĩnh vực nói trên.
ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngành sản
xuất như hầm mở, 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 điếm quan trọng ưu 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

dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành
đồng bộ và khi nào nạp điện cho ăcquy đế sủ dụng về sau. Loại xe này sử dụng hai
loại nguồn lực khác nhau là động cơ đốt trong và động cơ điện. Nhờ kết hợp 2
nguồn lực này với nhau mà động cơ Hybrid chẳng những tiết kiệm nhiên liệu mà
còn giảm thiếu tối đa ô nhiễm môi trường. Hình vẽ bên dưới là sơ đồ mô tả cấu tạo
động cơ hybrid của hãng TOYOTA cho loại xe du lịch 4 chỗ. cấu tạo gồm có:

-

Động cơ đốt trong (động cơ xăng) 1.

8


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________
cho động cơ điện làm việc.

Hình 1.1. Mô hình động cơHybrid

□ Nguyên lý làm việc: Tùy theo cấu tạo của động cơ hybrid mà nguyên lý làm
việc cũng như vai trò của động cơ khác nhau. Ta có sự so sánh hai hệ thống
sau:

Hệ thong song song (hybridparallel System)
Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các
trục


Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền

Uot
y

ị

năng lượng cho một máy phát điện. Dòng điện sinh
ra chia làm hai phần, một đế sạc cho bình ắc quy và
một đế cung cấp điện cho một động cơ điện một

1.
2.

chiều (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các

3.

trục xe. Đó được gọi là hệ thống liên hoàn vì năng

4.

lượng truyền theo một quá trình liên tục. Một hệ
thống Hybrid liên hoàn gồm có hai môto, một chính
là môtơ điện và một là máy phát điện có cấu trúc

ắc quy
bộ đổi
điện
môtơ


- Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và môtơ điện

trong hệ thống trên là.

3. ứng dụng cua động cơ điện một chiều trong ôtô điện

Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong xe Hybrid (xe 4 chỗ của
TOYOTA) là:
+ Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ, bao gồm những yêu cầu về dải điều
chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh êm, khởi động động cơ nhanh.
+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định.
Ngoài ra, truyền động xe hơi 4 chỗ còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành.
Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiến đơn giản
tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô. Vì thực tế trong lĩnh
vực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú
11


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
học. ____________

đô án môn

- Có khả năng tăng tốc và giảm tôc dễ dàng.

- Nhanh chóng ốn định tốc độ.

- Đảo chiều quay.

không

đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên
Mđm
Hình 2.1. Đường đặc
tính cơ
của dộng cơ điện kích
từ

đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song
song rất cứng. Với đặc điểm như vậy, động
cơ điện kích thích song song được dùng trong
những trường hợp tốc độ hầu như không đối

12


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.________________________________________________

b. Đô mỉ cơ điên kích thích nổi tiếp.

Ớ động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần
ứng : It= Iư=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thế biểu thị:
0=K„.I
trong đó hệ số tỷ lệ K(i> chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; còn khi I >(0,8 -T0,9)Idm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ.
Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:


Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc nguợc nhau. Trên thực tế
người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động co ngược không đảm bảo
được điều kiện làm việc ốn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ
mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải
tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm
hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng
của từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ
của động cơ điện kích thích hồn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ
kích thích nối tiếp.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điều
chỉnh như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có
thế áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối
tiếp.
Từ những tính chất của tùng loại động cơ như 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 họp kiều bù là đáp ứng được
những yêu cầu về truyền động. Ta có thế nêu un điếm 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 trường kéo tải nặng nề.
+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Iư nên khả năng
chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp
cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện
đi kèm theo tải.

động cơ. hương pháp này cho phép điều chỉnh triệt đế vì có những un điếm sau:
+ Hiệu suất điều chỉnh cao.
+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh.
+Việc thay đối điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư => mômen ngắn mạch
Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm 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 như
15


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh.
Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải
có nguồn điện áp điều chỉnh được.
Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện áp
phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông. Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ
cho phép thấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết
hợp với cơ cấu cơ khí như đã đề cập ở trên.
Như vậy vấn đề quan trọng nhất trong khuôn khổ đồ án mà chúng em đưa ra
chính là việc thiết kế một bộ điều chỉnh nhằm điều chỉnh động cơ Hybrid trong ôtô
điện. Bộ điều chỉnh này chính là thiết bị băm điện áp, bộ băm điện áp này cho phép
tù' một nguồn điện một chiều Ưs tạo ra điện áp tải Ud-là điện áp một chiều nhung
có thể điều chỉnh được.
Sự phối kết họp giưã động cơ Hybrid và động cơ xăng trong việc truyền động
trong ôtô chạy điện là cần thiết.Động cơ điện dùng truyền lực trong ôtô có công
suất vừa và nhỏ nên bộ băm xung áp là phù họp.Chương tiếp theo sẽ trình bày về
thiết kế hệ thống băm xung áp.

Utb
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

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và
dạng xung ra của BBĐ.
ura là một dãy xung vuông (lý tuởng) có độ rộng ti và độ nghỉ t2. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đối này
là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Đe 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.

Phương pháp điều chỉnh điên áp ra
Có hai phương pháp:

□ Thay đối độ rộng xung (ti).

trong đó đặt:

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < s < 1).

19


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
2.2. Phương pháp thay đổi tần so xung
Nội dung của phương pháp này là thay đối T, còn ti=const. Khi đó:
u,„, = !ỳ.us=tl.f.us

Đặc tính truyền đạt:
w. = —— = a

L1
b. Biến đối tăng

\K

—T— C| Tải

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K
song song
Đặc điếm: u nối tiếp với tải, Khoá K 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.
+ K đóng, dòng điện tù’ +Us qua Li —> K —» -Us. Khi đó D tắt vì trên tụ có
Uc
(đã được tích điện trước đó).
+ K ngắt, dòng điện chạy từ +ƯS qua L] —» D —» Tải. Vì từ thông trong Li
không giảm tóc thời về không do đó trong Li xuất hiện suất điện động tự cảm
eL= vv—, có cùng cưc tính Us. Do đó tổng điên áp: U=Us+eL —> làm D thông —
>

dt

21


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG
YÊN
Khoa Điện - Điện tử

Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
công suất nhở nên ít thông dụng.

3. Một số sơ đồ băm xung áp

Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điếm khác nhau
tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của các
dạng cơ bản như đã giới thiệu ở mục trên.
Dưới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:
□ Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục.
□ Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh năng

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ bom xung áp loại B

+ s 1, S2 là loại điều khiến hoàn toàn.
+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng RL-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ.
+ DI là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod CÓ tác dụng trả năng lượng tái
sinh cho nguồn.
a) Hoạt động của sơ đồ ỉ
23


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
Đe chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho SI hoạt động như một khoá đóng
cắt; còn S2 không làm việc. Khi Si mở dòng điện tù’ nguồn chảy qua Si qua tải và

t

Hình 3.7.Biểu đồ dạng sóng dòng, áp

Từ biếu đồ dạng sóng ta có nhận xét:
+ Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn truớc hoặc
ngay
25


TRƯỜNG ĐHSPKT HUNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
đô án môn
học.__________________________________________________
+ Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có
thế nhở bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thế điều khiển được bằng
cách thay đối thời gian dẫn của Si và S2.

□ 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 thế thực hiện được quá trình tái sinh năng
E: Sức phản điện động của động
cơ
R:

Điện


dij . _{US-E)
«=> -2- + ai, =
Ư -- - -

R
a =—
L

Sử dụng phương pháp biến đối Laplace ta được:
pỉd(p)-ỉd(°) + ald(p) = E^ —
R p
Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì ld=0. Nhưng sau một vài chu kỳ,
dòng Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do DỊ & D2 dẫn
khi

Si

kho á).
26