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 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC)
II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung
II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung
II.1.3 Nhận xét
II.2 Các sơ đồ băm xung
II.2.1 Sơ đồ giảm áp (Step-down (Buck))
II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))
II.2.3 Sơ đồ băm đảo cưc (Step-down/up (buck-boost))
II.2.4 Bộ đảo dòng
II.2.5 Bộ đảo áp
II.2.6 Bộ Chopper lớp E
1. Sơ đồ nguyên lý
2. Các phương pháp điều khiển
II.3 Kết luận
II.3.1 Chọn mạch lực

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

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
2
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 không thể
tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các

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 điểm của nó mà máy
điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất
của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như 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 lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷
85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công suất
lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng
vài trăm cho đến 1000v. Hướng 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 kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong những phương
pháp được 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 phương pháp đối xứng .Đây là
một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được 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 như máy phát điện một chiều
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:


RR
K
U
fu
u
.
)(
2
Φ
+
−
Φ
=
ω
Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ
vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông...), từ đó đưa ra
phương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu nhất.
Với những điều kiện U
ư
= const, I
t
= const thì từ thông của động cơ hầu như không
đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường
thẳng.
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
ω
β

.
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn
hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc
tính cơ: β=∆Μ/∆ω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).
a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch
kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện 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

pN
Eu
2
+ p: số đôi cực từ chính.
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
+
Φ
: từ thông kích từ dưới một cực từ.
+ω: tốc độ góc.

a
pN
K
π
2
=

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

nKE
eu
Φ=

55,9/60/2 nn
==
πω

Vì vậy


=Φ

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định
udt
IKM ..
Φ=
Suy ra

Φ=
KMI
dtu
/

Thay vào (*) ta được

dt
fu
u
M
K
RR
K
U
2
)(
Φ
+
−
Φ

ωω
=
+
=
fu
u
RR
U
Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ω = 0 thì
fu
u
RR
U
I
+
=
: Dòng điện ngắn mạch.
nmnm
MIKM
=Φ=
..
: Mômen ngắn mạch.

ωωω
∆−=
Φ
−
Φ

I
K
R
K
U
RRR
u
u
fu
2
0
)(
Φ
=
Φ
=∆
Φ
=
+=
ω
ω
Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: U
ư
, R,
I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc
độ động cơ điện một chiều.

b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

8

β
ωω
ω
M
U
IKR
K
RR
K
E
RRIEE
dk
udmud
Km
udb
dm
b
udbuub
−=
Φ
+
−
Φ
=
+=−

)(
)(
0
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc

−=
−=
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

1
1
/)1(
)1(
1
)(
max0
max0
minmin

MK ,,
max0
ω
xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào β. 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
βω
.
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
M
t
=const trong toàn dải điều chỉnh.
b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ
Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen
điện từ của động cơ điện
u
IKM ..
Φ=
. Do mạch kích từ của động cơ điện một
chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

10

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 (*)

u
fu
u
I
K
RR
K
U
Φ
+
−
Φ
=Φ
(*)
Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này . Vì phương pháp này chỉ
cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm
theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì
vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế
thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
c) Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế

đ
.
ω
Công suất điện của động cơ P
đ
=P
cơ
+
∆
P (
∆
P: tổn hao công suất)

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

Φ
+
−
Φ
=Φ
(*)
Khi khởi động nên
R
U
I
dm
nm
=
.ở động cơ công suất trung bình và lớn thì R
ư
thường
có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương đối lớn

dmnm
II 5,22
÷=
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 ÷=

ωω

hh
IKM ..
Φ=
. 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
ωω
>
d
. Vì sơ đồ đấu dây của mạch
động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá trị
âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình 2-14 ttđ)
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới
điện có giá trị P = (E-U) I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh
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.

13
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
ωω
>
od
b.2) Hãm ngược
Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận

hu
hd
hu
u
hd
RR
K
RR
E
I
+
Φ
=
+
−
=
ω

0<Φ=
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

3
4
15
Chương II
BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC)
II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC):
BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể
thay đỏi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn
thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.
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.
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù
điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh
lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình
đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:
- Thay đổi độ rộng xung.
- Thay đổi tần số băm xung.
II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung

t
t
1

t
U .U t .f.U
T
= =
Vậy 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 Nhận xét
Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM
(Pulse Width Modulation).Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng
số.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp
điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ
đỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van,tần số đóng cắt này là
không đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi
>
Control st
u u
thì cho tín hiệu điều
khiển mở van, ngược lại khóa van.

17

t
U
ra
18
d
I
U
W
U
= = α
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.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C
(đã
được tích điện trước 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
L
dt
d
w
Φ
=
,
có cùng cực tính U. Do đó tổng điện áp: u
d

; 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
sẽ ngược 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 nguồn
II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng)
a) Sơ đồ nguyên lý

20
Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương
đương R-L-E
b) Nguyên lý hoạt động.
 Chế độ động cơ:
Trong khoảng
0 t T≤ ≤ γ
, động cơ được nối nguồn qua
1
S
,điện áp đặt lên

,điện
áp đặt lên động cơ là 0.
c) Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải
d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ.

d
u
d
I
d
i
1
D
2
D
1
S
2
S
t
t
t
t
0
0
0
0
d
U
T

S
(
2
D
) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có:
di
Ri L E 0
dt
+ + =
.
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:
(t T) (t T)
max
E
i(t) (1 e ) I e
R
−γ −γ
τ τ
= − − +
T
min
T
U e 1 E
I
R R
e 1
γ
τ
τ
 

τ =
Điện áp trung bình trên động cơ:
T
T
d d
0 0
1 1
U u dt Udt U
T T
γ
= = =γ
∫ ∫
Dòng điện trung bình:
d
d
U E U E
I
R R
− γ −
= =
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
γ −γ


d max
U
ΔI
8fL
=
Dòng trung bình qua
1
S
(
1
D
) là:
1 d
I I= γ
Dòng trung bình qua
2
S
(
2
D
) là:
2 d
I (1 )I= − γ

22
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

2
γ − < <
và
T t Tγ < <
thì S1 và S2 không đồng thời
dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp dặt lên
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
Trong khoảng
0 t T( 0,5)< < γ −
: điện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua
động cơ tăng từ I
min
tới I
max.

dk1
u

0
0
0
0
T
T
γ
24
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
−
− τ − τ
= − +
.
Trong khoảng
T
T( 0,5) t
2
γ − < <
: dòng i
d

trong đó
0,5β = γ −
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
β
τ
τ
 
−
 ÷
= −
 ÷
 ÷
−
 
;
T

2
−
∆ = ≈ γ − − γ ≤
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
β
= = = β = γ −
∫ ∫
Dòng điện trung bình
d
d
U E (2 1)U E
I
R R
− γ− −
= =
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V
Dòng trung bình qua các van S1, S2:
1 d
(2 1)U E
I I
R
γ− −