Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp

Lời nói đầu
Chương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều
1.1.
1.2.

Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.3.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
* Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
* Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ

Chương 2 : Tổng quan về bộ biến đổi xung áp
2.1.

Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )
* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
* Lựa chọn bộ biến đổi

2.2.

Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
* Phương pháp thay đổi độ rộng xung
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
* Lựa chọn phương pháp điều khiển

Lời nói đầu

Page 2


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
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 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%

nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện một chiều
còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.

Hình 1.1 Cực từ chính
* Phần ứng (rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.

Hình 1.2 Lá thép rôto

Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều

1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5
mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để
đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2).

Page 5


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là
một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của
vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng
hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách
điện với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong

hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :
• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần
ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn
loại bộ biến đổi chính:
•

Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều

hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
•

Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)

•

Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)

•

Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Page 7



các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần
tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.
•

Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv...
Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một
chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.

Page 8


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp

Lk
Rb
U®k

BB§

§

I

Eb(Udk)

Ru®
U

bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ
thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mô men khởi động. Khi mô men tải là
định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

ω max = ω 0 max −

M dm
β

(II-2-2)
Page 9


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp

ω min = ω 0 min −

M dm
β

Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có mô men ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KM.Mdm
Trong đó KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường
thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:
ω min = ( M nm min − M dm )

M
1


Wmin
0

M®m

Mnm min

Hình II-2. Xác định phạm vi điều chỉnh
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì
vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng ? Khi điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở
tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể
tính sơ bộ được:

ω o max β / M dm ≤ 10
Page 10


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều
chỉnh tốc độ cững không vượt quá 10. Đói với các máy có yêu cầu cao về dải điều
chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở”
như trên là không thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền
động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì
độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc
tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói
cách khác , nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không
vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ

IưEb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rưđ)
Page 11


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng bằng
mô men tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là
Mc* = (?* )x thì

ηu =

ω * + R * (ω * )

(II-2-5)

x −1

ω

ω
ω®m

1

Μ®m

Μ

x=
-1

ek
dΦ
+ ωk
rb + rk
dt

(II-3-1)

trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,
Page 12


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,

ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

φ = f [ik]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông
chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và được gọi là
đạc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). 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 để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển
mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình
thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho
phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần
ứng thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:
βΦ


0
ikωk

Lk(U®kΦ)

§Æc tÝnh c¬ b¶n

Μ®m

Μ

b,

Φ
0
c,

Page 13


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
Hình II-4 Sơ đồ thay thế (a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông
động cơ (b) Quan hệ ?(ikt),(c)
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà
từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng b•o hoà của
đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc
vào thông số kết cấu của máy điện:
• Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn

Nguyên lý hoạt động :
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất
cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với Ud để thoát dòng
tải khi ngắt khóa K.
+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong các
van và các phần tử thì Ud=U
+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng
tích lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
* Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý :

Page 15


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
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 UC (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 có cùng cực
tính với U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục
và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý:


lập. Hơn nữa mạch này rất thông dụng (dùng trong DC-DC, DC-AC converter) do
đó việc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng hơn.
- Lựa chọn van bán dẫn
Chọn van IGBT bởi :
Page 17


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả
năng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho
động cơ chạy êm hơn.
+ Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết
kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa nó
cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển).
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế transistor
BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản
hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển chúng
(IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển cũng
chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ.
2.2.

Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
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.


T

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.
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
Uctl >Ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van.
• Phương pháp điều khiển bộ băm xung có đảo chiều
Nguyên tắc điều khiển
Theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành
hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng
thời.
Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với
Page 19


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác):
-Nếu Udk>utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt.
-Nếu Udk

Điện áp phần ứng
400V

Phạm vi điều chỉnh
25:1

Sơ đồ mạch động lực đơn giản

Chọn tần số băm xung f = 500Hz
Mạch cấp nguồn một chiều cho động cơ

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây Δ/Y làm mát bằng không khí
tự nhiên. Máy biến áp công suất nhỏ ,chỉ cỡ chục KVA trở lại ,sụt áp trên
Page 22


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
điện trở lớn khoảng 4% ,sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2% .Điện áp
sụt trên 2 Điôt khoảng 2V.
• Tính chọn van bán dẫn công suất
- Tính chọn Điôt mạch van
Qua phân tích các mạch lực ta thấy
+ Dòng điện trung bình chạy qua diode
Với giá trị dòng định mức động cơ Iđm = 6A
Chọn chế độ làm mát là van có cánh tỏa nhiệt với đủ điẹn tích bề mặt
và có quạt thông gió, khi đó cho dòng điện làm việc cho phép chạy qua
van tới 50% Iđm
Lúc đó dòng chạy qua van cần chọn :
Iđmv = Ki.Imax = 6/0.5 = 12(A)

Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc.
- Tính chọn IGBT
Tính dòng trung bình chạy qua van:
Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:
Dòng điện trung bình chạy qua van lμ : IS =γ It
Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A)
Page 23


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và
có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới
50 % Idm .
Lúc đó dòng điện qua van cần chọn :
Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A)
Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi van (bỏ qua sụt
áp
trên các van ) là Ungmax=E=400(V)
Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 → Ungv =ku.Ungmax =
2.5*400=1000(V).
Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT …có các thông số sau:
Loại
IRG4PH30
K

Loại vỏ

Icmax(A

Vce(V

- Tính chọn Điôt mạch chỉnh lưu
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện áp

làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau :
+)Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu :
Unmax=Knv.U2 =418,88 (V).
Điện áp ngược của van cần chọn :
Unv = KdtU . Un max =2,5 . 418,88 = 1047,20
Trong đó :
KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =2,5 .
+) Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng :
Ilv =3,46 (A)
(Do trong sơ đồ cầu 3 pha ,hệ số dòng hiệu dụng :Khd =0,57)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả

Page 24


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp
nhiệt ; Không có quạt đối lưu không khí ,với điều kiện đó dòng định mức
của van cần chọn :
Iđm =Ki . Ilv =3,2 .3,46 = 11,07 (A)
(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =3,2)
từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 6 Diode loại SKR20/12 do nhà sản xuất
IR sản xuất có các thông số sau :
Điện áp ngược cực đại của van : Un = 1200 (V)
Dòng điện định mức của van : Iđm =20 (A)
Dòng điện thử cực đại : Ith =60 (A)
Dòng điện rò : Ir =4 (mA)
Sụt áp lớn nhất của Diode ở trạng thái dẫn là : ΔU = 1,55 (V)