Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

Đề bài
Thiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều
chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ c lp với các
thụng s:
Phơng

Điện áp c

Dòng điện

Phạm vi điều

án

quy ngun

định mức

chỉnh tốc độ

2

(V)
220

(A)

xuất công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải quyết
những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa. Việc
ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển
tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày
càng nhiều và không thể thiếu. Một trong những ứng dụng của
đtcs trong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc độ động cơ
một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) bằng bộ băm xung một
chiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng.
Đồ án gồm các phần chính sau:
Phần A: Cơ sở lý thuyết.
Chơng I: Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.
Chơng II: Động cơ điện một chiều kích từ Nam châm
vĩnh cửu.
Chơng III: Các mạch băm xung 1 chiều.
Chơng IV: Mạch điều khiển cho bộ băm xung một
chiều có đảo chiều
Phần B: Tính toán thiết kế.
Chơng V: Thiết kế mạch lực.
Chơng VI: Thiết kế mạch điều khiển.
Chơng VII: Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển.
Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.
Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với
tinh thần học hỏi cộng với quyết tâm cao nhất, song do trình
độ còn có hạn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều sai sót,
chúng em kính mong nhận đợc sự phê bình, góp ý của các thầy
cô giáo và các bạn để đồ án của chúng em đợc hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong
bộ môn Tự Động Hoá xncn, đặc biệt là Ths. Phm Khỏnh Hng đã

Nhóm 5

5
5
6
6

chiều.
3. Phân loại các động cơ điện 1 chiều.
4. Các đại lợng định mức.
II. Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.
1. Giới thiệu động cơ một chiều kích từ bằng nam

7
7
8

châm vĩnh cửu (PMDC).
2. Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ
độc lập.
3. Đờng đặc tính cơ.
4. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
kích từ độc lập.
5. Các chế độ làm việc của động cơ.
Chơng II: Mạch băm xung 1 chiều
1. Bộ biến đổi xung áp nối tiếp
II. Bộ biến đổi xung áp song song.
III. Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn
hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào.
IV. Bộ chopper lớp C (bộ đảo dòng)

Nhóm 5

1) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp
tam giác.
2) Khâu so sánh.
3) Khâu xử lý tín hiệu.
4) Khâu logic phân xung.
5) Khâu tạo trễ.
6) Khâu cách ly.
7) Khâu tạo điện áp đóng mở van.
8) Khâu phản hồi
B tính toán thiết kế
Chơng IV: thiết kế mạch lực
I. Tính chọn diode công suất.
II. Chọn van IGBT.
III. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu một chiều cấp điện
cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập .
Chơng V: thiết kế mạch điều khiển
I. Khâu tạo dao động và khâu tạo răng ca.
II. Khâu so sánh.
III. Khâu xử lý tín hiệu.
IV. Khâu lôgic phân xung.
V. Khâu tạo trễ.
VI. Khâu cách ly.
VII.Khâu tạo điện áp đóng mở IGBT
VIII. Khâu phản hồi tốc độ và dòng điện.
Chơng VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển
I. Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi.
Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

61
61
65

4


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án
A cơ sở lý thuyết

Chơng I
Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn đợc
coi là một loại máy quan trọng, không thể thiếu. Nó có thể dùng
làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều
kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều giữ một vị trí
nhất định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các
thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng
(nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Một
động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ
không đồng bộ hay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng
nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp
hơn ... nhng do những u điểm của nó mà máy điện một chiều
vẫn đóng vai trò 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 tuỳ theo những điều kiện
làm việc khác nhau. Song u điểm lớn nhất của động cơ điện

I. Vài nét tổng quan về máy điện 1 chiều.
1.Cấu tạo của máy điện một chiều.
Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2
phần chính là phần tĩnh và phần quay.
a. Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy gồm các
bộ phận chính sau:
-

Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt
cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi
sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay
thép cacbon ghép lại. Trong máy điện nhỏ, có thể dùng
thép khối. Dây quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng có
bọc cách điện.

-

Cực từ phụ: đợc đặt giữa cực từ chính và dùng để cải
thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thờng đợc làm
bằng thép khối. Dây quấn của cực từ phụ giống nh dây
quấn của cực từ chính.

-

Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng
thời làm vỏ máy.

-

Các bộ phận khác: nắp máy, cơ cấu chổi than


Cổ góp: còn đợc gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng
để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.

-

Các bộ phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy

2.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm
ứng điện từ: Khi đặt vào trong từ trờng một dây dẫn và
cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trờng sẽ tác dụng
một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây
dẫn chuyển động. Chiều của từ lực đợc xác định theo quy
tắc bàn tay trái.
Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở
Stato, trong khe hở không khí sẽ sinh ra từ thông. Còn khi
cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dây phần ứng đặt
trong roto, thì dới tác dụng của từ trờng này trong dây quấn
sẽ sinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay. Vì
vậy, chiều quay của máy trùng với chiều quay của momen
điện từ. Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ do lực
điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái
và lực điện từ có giá trị f = B.l.i
3.Phân loại các động cơ điện 1 chiều.
Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà ngời ta phân
các loại động cơ điện một chiều theo các loại sau:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

-

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo ra do
tác dụng đồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song
song và một cuộn nối tiếp. I = Iu +It.

Mỗi loại động cơ trên sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc
điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng tơng đối khác nhau
phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
4.Các đại lợng định mức.
Chế độ làm việc định mức đợc đặc trng bằng những đại
lợng ghi trên nhãn máy và gọi là những lợng định mức. Trên
nhãn máy thờng ghi những đại lợng sau:
Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đa ra ở đầu trục máy.
Điện áp định mức Uđm (V).
Dòng điện định mức Iđm (A).
Tốc độ định mức nđm (vg/phút).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng pháp kích từ, dòng điện
kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

8


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

cần phải sử dụng đến ổ cắm điện vì nó có thể đợc cung
cấp năng lợng từ những loại pin. Điểm thuận lợi là những loại

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

9


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

pin này có dung lợng lớn, lâu hết năng lợng và có thể xạc
nhiều lần.
PMDC có thể đáp ứng đợc những yêu cầu sau:
-

Hoạt động đơn giản.

-

Có thể dự đoán chính xác đặc tính làm việc của động
cơ.

-

Mômen quay và mômen khởi động lớn và có thể giảm tốc
độ nhanh chóng.

-

Cần trục và thang máy động lực.

-

Các phơng tiện nâng, nhấc.

-

Các hệ thống chạy bằng năng lợng mặt trời.

-

Và bất kỳ các thiết bị nào có thể hoạt động bằng pin

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

10


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

Động cơ PMDC phù hợp với các thiết bị dùng động cơ bánh
răng do chúng có thể sinh ra momen quay lớn ở tốc độ thấp.
Động cơ PMDC đặc biệt phù hợp với việc điều chỉnh tốc độ




= R + Rp

RP điện trở phụ trong mạch phần ứng, .
R điện trở mạch phần ứng, .

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

11


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

R = r + rct + rcb+ rcp
r - điện trở cuộn dây phần ứng, .
rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp,
rcb - điện trở cuộn bù,
rcP - điện trở cuộn phụ,
Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto:

E = k
Trong đó:

- từ thông qua một cực từ, Wb.


cơ

trình

=

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

đờng

R
U

M
k (k)2

đặc



có

12

Tạ
o
Đặc tính cơ của động cơ
U

d
đạt ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra M C = 0 (do
a
o
lực masat luôn tồn tại khi động cơ quay). Tốc độ o đợc gọi
đ
ộ
là tốc độ không tải lý tởng.
n
Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định
g

C
mức nh thiết kế và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch
á
động cơ thì R = R và phơng trình đặc tính cơ sẽ là:c
h
U dm
R
l
=

M
k dm (k dm)2
c
y
U
q
A
o = dm

để đánh giá


độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( càng lớn) tức là
mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và ngợc
lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi
ít nhng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.
Phơng trình đặc tính cơ còn đợc viết dới dạng:

= o
Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

13


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

M =

R
M
(k dm)2

Mm.n và In.m gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ
thông có đặc điểm:
-

Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tởng của đặc
tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.

-

Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

14


Trờng ĐH Điện Lực
điện tử công suất

Đồ án

-

Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D 3: 1

-

Chỉ thay đổi đợc tốc độ về phía tăng theo phơng pháp
này.


Rf1

Khi tăng điện trở mạch phần
Rf3

ứng, đặc tính cơ dốc hơn
nhng vẫn giữ nguyên tốc độ

0

không tải lý tởng. Trên hình

Rf2
Mđm(Iđ
m)

M(I)

vẽ bên, ta có các đờng đặc tính cơ ứng với các trị số khác
nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự
nhiên.
Nhận xét:
-

Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ
càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ
càng kém, sai số tốc độ càng lớn.

Nhóm 5

-

Về nguyên tắc, phơng pháp này cho điều chỉnh trơn
nhờ thay đổi đều điện trở nhng vì dòng điện rôto lớn
nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn và thờng sử
dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này. Vì

phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay
trong vùng dới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao
năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động
cơ điện. Vì vậy phơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ
điện có công suất nhỏ và thực tế thờng dùng ở động cơ
điện trong cần trục.

c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
Phơng pháp này chỉ áp
dụng đợc đối với động cơ
điện 1 chiều kích từ độc lập
hoặc động cơ điện kích
thích song song làm việc ở

n
n04
n01
n02
n03

1 (Uđm)
2

momen không đổi vì và I đều không đổi. Điện áp phần
ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
Chú ý: + Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc
tính cơ có độ cứng không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk
của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp này điều khiển
là triệt để.
+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống 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 bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.
+Với một cơ cấu máy cụ thể có

0 max , K M , M dm xác định vì

vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị
độ cứng
Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u
điểm nh sau:
- Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là
tuyến tính, triệt để) nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U
dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm.
Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

17



mômen

và

tốc

độ

MC

Pc = Md > 0
M

MC

I; III: trạng thái động cơ

III: Động cơ

( cùng chiều với M).
-

I: Động
cơ

nh

hình vẽ.
-


Xuất phát từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ
điện 1 chiều:

=

R
U

M
k (k)2

Khi khởi động có I mm = I nm =

U dm
= (10ữ 20)I dm tơng
R

đối lớn. Đối với động cơ có công suất càng lớn thì R thờng
có giá trị càng nhỏ và dòng I nm càng lớn. Điều này làm xấu
chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh
động cơ và gây sụt áp lới điện. Tình trạng này càng xấu
hơn nếu hệ TĐĐ thờng phải mở máy, đảo chiều, hãm điện
thờng xuyên nh máy trục, máy cán đảo chiều, thang máy
lên xuốngVậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các
cơ cấu truyền động cũng nh tránh ảnh hởng xấu tới lới
điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vợt
quá giá trị: Imm = (1,5 ữ 2,5).Iđm
Phơng pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng
không chỉ giúp khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ

M h = K ..I h . 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 0d > 0 . Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ
không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng
mômen có giá trị âm. Đờng đặc tính cơ nằm trong góc
phần t thứ hai và thứ t (hình vẽ trên).
Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và
công suất đợc đa trả về lới điện có giá trị P = (E - U).I.
Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh
năng lợng hữu ích.
+ Hãm ngợc.
Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích
luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do thế năng
quay ngợc chiều với mô men điện từ của động cơ, mômen
của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu
sản xuất.
Hãm ngợc khi đa điện trở phụ vào mạch phần ứng
(tăng tải): Đặc tính hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với
điện áp lới, động cơ làm việc nh một máy phát nối tiếp với
lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năng
thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì
vậy tổn thất lớn.
Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngợc
chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn

Ih =

U E
R + Rf



Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu.
Năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ
nằm trong mạch kích từ.
Nhợc điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm đợc
do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục
ngời ta sử dụng phơng pháp hãm động năng tự kích từ. Nó xảy
ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lới điện khi
động 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 hãm tốc độ vì vậy đặc tính cơ cũng
nh đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích là phi
tuyến so với phơng pháp hãm ngợc. Hãm động năng có hiệu quả
kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên


động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới và đặc

hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm



biệt có thể sử dụng đợc kể cả khi mất điện. o
-

Đ

Đảo chiều quay động cơ.

Chiều từ lực tác dụng vào dòng

có thể thực hiện
1 trong 2 cách sau:
+ Hoặc đảo chiều từ thông (qua việc đảo chiều
dòng kích từ).
+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng.
Đờng đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và
quay ngợc là đối xứng nhau qua gốc tọa độ. (hình vẽ)
Phơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ
nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần
ứng. Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự
cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phơng
pháp này ít dùng. Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ
thông thì khi từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ tăng
quá, không tốt.
c. Vấn dề phụ tải.
Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan
tâm khi điều khiển động cơ điện một chiều. ở đây ta sẽ
chỉ xét trờng hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn
dải điều chỉnh và đặc tính phụ tải là tuyến tính.
Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp
phần ứng đợc chọn là phù hợp. giải pháp mà ngời ta thờng
dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển bằng bộ băm
xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.

Nhóm 5
Lớp: D7LT ĐCN4

22



UR

E
R

E

UR
0

t1

t

T

còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trở của nó lớn vô cùng (điện
áp trên tải sẽ bằng không).
Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp 1 chiều đợc
mô tả nh sau:
Trong khoảng thời gian 0ữ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên
tải UR sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn (U R = E); còn khoảng t1 ữ
T, khoá K mở ra và UR = 0.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

1

U R = E.dt= E = E.
T0
T

2.

Giữ nguyên thời gian đóng khóa K: t1 = const;

thay đổi tần số đóng cắt T. Phơng pháp này gọi là phơng
pháp băm xung kiểu điều chỉnh f (phơng pháp xung tần);
phơng pháp này ít dùng.
3.

Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian

đóng khoá K. thay đổi thờng theo quy luật: dòng điện có cờng độ đập mạch ít nhất. Phơng pháp này gọi là phơng pháp
băm xung theo kiểu thời gian. Phơng pháp này ít đợc sử dụng
nhất trong cả 3 phơng pháp.
Nh vậy, bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn
định điện áp ra trên phụ tải. Nó có những u điểm cơ bản sau:
-

Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi
không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục.

-

Độ chính xác cao cũng nh ít chịu ảnh hởng của nhiệt độ
môi trờng, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K
mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều
chỉnh thờng gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục.

-