LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................

1


LỜI NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................


Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng, diezen
ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều năng
lượng, ô nhiễm môi trường ... Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ
thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện . Song song
với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó với
chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng
và thay thế các động cơ cũ.
Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứng
được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều. Do đó là một đề tài hay nên trong sau khi học xong môn Điện tử công
suất và truyền động điện, chúng em đã được Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên
khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài
“Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại, chúng ta đã chứng kiến thấy
sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.
Trong sự phát triển đó ta cũng có thể chỉ ra rằng điện năng và máy tiêu thụ điện
năng đóng vai trò không thể thiếu được nếu không muốn nói là chủ chốt. Nó đi
trước làm tiền đề và 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 công
nghiệp nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền
tải...,cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản, dễ vận
4


5


1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều
1.2.1. 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 từ của động cơ. Theo đó ta có các loại động cơ
điện :
-

Kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch
điện phần ứng và phần kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau

-

nên:
I=Iư
Kích từ song song: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và
điện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch điện phần

-

ứng nên:
I= Iư + Ikt
Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng,
cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng ít chế tạo dễ

-

dàng, ta có: I=Iư = Ikt

ω
ωo

ωđm

Mđm

0

Mnm

M

ω
ωo

ωđm

0

7

Iđm

Inm

I


Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta

8


•
•
•

Rư: điện trở phần ứng (Ω)
Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)
Iư: dòng điện phần ứng (A)
Với Rư = rư + rct + ri + rcf ;

•
•
•
•

rư : điện trở cuộn dây phần ứng
rct : điện trở tiếp xúc của chổi than
ri : điện trở cuộn bù
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ
Sức điện động Eư được xác định bằng biểu thức:
Eư = = KΦω
Trong đó:

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 (Wb)
ω: tốc độ góc (rad/s)

Mđm

Mnm

M

Iđm

Inm

I

ω
ωo

ωđm

0

Từ các đồ thị trên ta có nhận xét: Khi Iư=0 hoặc M=0 thì:
: Tốc độ không tải lý tưởng
Còn khi ω=0 ta có:
=Inm : Dòng điện ngắn mạch
Và:

M=KΦInm=Mnm : Mômen ngắn mạch

Mặt khác từ phương trình đặc tính cơ (*)và (**) ta cũng có thể viết được:
10



Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song
song làm việc ở chế độ kích thích độc lập loại này cần có thiết bị nguồn như:
máy phát điện một chiều cho bộ kích từ,các bộ chỉnh lưu điều khiển 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 .

11


Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Ta có phương trình :
Eb – Eu = Iu(Rb+Rud)

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk
của hệ thống. Đồ thị là tuyến tính, do đó phương pháp này là triệt để xác định
dải điều chỉnh tốc độ:
•
•

Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi.
Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó

•

có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để.
Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống 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

Với

rk – Điện trở dây quấn kích thích (phần ứng),
rb – Điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ωk – Số vòng dây cuộn kích từ.
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó đặc

tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cơ có điện áp
phần ứng định mức, từ thông định mức và được 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 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 quả là mômen cho phép trên trục động cơ
giảm rất nhanh. Kể cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc
tínhcơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:
PΦ=

14


•

Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phương trình đặc tính cơ (*)
Thực tế loại này ngày nay người ta không dùng (chỉ đề cập qua). Vì phương
pháp này 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 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.

1.3. Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều.
1.3.1. Các góc phần tư làm việc.
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở các
góc phần tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ.
•
•

I, III: trạng thái động cơ (ω cùng chiều với mômen M )
II, IV: trạng thái hãm (ω ngược chiều với mômen M)

II: h·m
Mc

ω

I: ®éng c¬
Mc
0

Pc=Mdω0
M
IV: h·m
Mc
4

Pc=Mdω>0

hơn vì khi khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được cả
điện áp khởi động (do điều khiển là làm giảm áp).
b. Chế độ hãm
Hãm là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra quay ngược chiều tốc độ
quay. Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược,
hãm động năng. Động cơ làm việc ở chế độ máy phát.
•

Hãm tái sinh
Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.
Khi đó Uư

Hãm động năng kích từ độc lập:
Khi ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện
trở hãm, còn mạch kích từ vẫn giữ nguyên.
Tại thời điểm ban đầu tốc độ động cơ có giá trị ωhđ nên:
Ehđ=KФωhđ ; Và dòng điện hãm:
Mômen hãm đầu:
Chứng tỏ Ihđ và Mhđ ngược chiều với tốc độ ban đầu . Khi hãm động năng Uư =
0 nên ta có phương trình đặc tính :
Năng lượng chủ yếu tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công
suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ.

-

Hãm động năng tự kích:
Hãm động năng kích từ độc lập có nhược điểm là nếu mất điện thì không thực
hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Để khắc phục
nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích
từ.
Hãm động năng tự kích từ xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng và
cuộn kích từ ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm. Khi đó:
Iư=Ih+Ikt
Và phương trình đặc tính cơ:
Trong quá trình hãm tốc độ động cơ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó
từ thông Ф giảm dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy đặc tính cơ như có dạng
như đường đặc tính không tải lý tưởng của máy phát diện tự kích từ và phi
tuyến.
19



điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề
tiếp theo

CHƯƠNG II:MỘT SỐ MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) ỨNG
DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
2.1. 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 đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và
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:
21


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.

22


Ud =

t1
.U = t1.f.U
T
f =

Vậy Ud = U khi

1
t1

và Ud = 0 khi f = 0.

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.
2.1.3. 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 2kHz đến 200kHz. Khi uControl > ust thì cho tín hiệu
T

t2

24