ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
Electric Power University –EPU

ĐỒ ÁN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài : Thiết kế băm xung áp một chiều có đảo chiều – điều chỉnh tốc độ
động cơ

Giảng viên hướng dẫn : T/s Phạm Thị Thùy Linh
Sinh viên thực hiên :
Nguyễn Thị Mỹ Duyên
Nguyễn Trọng Quý Đức
Lê Hữu Hùng
Lớp : D10-CNTD3

1
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Lời nói đầu
Ứng dụng điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện
là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời
những sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất 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, những công nghệ mới trong lĩnh vực điểu khiển các phần tử bán dẫ công suất. Với yêu
cầu thiết kế mạch băm xung một 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 đó cố gắng tỡm hiểu kĩ về
cỏc 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 đó cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính tóan cụ thể các thông số
của các sơ đồ mạch.
Mặc dù chúng em đó 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 cũng 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 thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn
các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em
được hoàn thiện hơn .Và chúng em hi vọng trong một tương lai không xa, chúng em có thể
áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh
viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này.
Trong quá trình làm đồ án chúng em đó nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất tận tình
của cô giáo Phạm Thị Thùy Linh .Chúng em xin chân thành cảm ơn cô và hi vọng cô sẽ
giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của chúng em sau này.

Nhóm sinh viên thực hiện :
Nguyễn Thị Mỹ Duyên
Nguyễn Trọng Quý Đức
Lê Hữu Hùng

MỤC LỤC

2
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài : Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cấp cho phần ứng của động
cơ 1 chiều kích từ độc lập, có đảo chiều quay. Thông số của động cơ : P = 2 kW; Udm =
220V ; Idm = 15A; ndm = 3000 v/ph . Dải điều chỉnh tốc độ D = 4:1 . Động cơ kéo tải
momen có tính chất thế năng Mc = Mdm . Chế độ dòng liên tục , yêu cầu dùng van IGBT .


1.1
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
2.1
2.1.1
2.1.2
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
3.1
3.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
4.1
4.2

CHƢƠNG I : KIẾN THỨC TỔNG QUÁT
Giới thiệu chung động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Giới thiệu về băm xung áp một chiều
Khái niệm , phân loại các bộ băm xung áp
Các sơ đồ băm xung
Phân tích sơ đồ băm xung áp một chiều có đảo chiều cấp cho tải là phần ứng
Van IGBT
CHƢƠNG 2 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Thiết kế mạch lực
Sơ đồ mạch lực đầy đủ các phần tử bảo vệ
Chức năng các phần tử trong mạch
Tính toán các phần tử trong mạch
Tính toán chọn van Diode và IGBT
Tính toán Rư , Eư và Lư ở chế độ định mức
Tính chọn các thiết bị bảo vệ
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu chung của mạch điều khiên
Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển
Tính chọn mạch điều khiển
Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Khâu so sánh
Bộ đảo dấu
Khâu tạo trễ
Khâu khuếch đại công suất
Khâu tạo điện áp điều khiển
Khâu hạn chế góc điều khiển γmin
max
CHƢƠNG 4 : MÔ PHỎNG
Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM
Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển
KẾT LUẬN

61

3
Nguyễn Thị Mỹ Duyên

4
4
12
12
12
22
32
40
40
40
40
41
42
42
44
44
45
45
47
49
50
52
52
53
56

57


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƢƠNG I : KIẾN THỨC TỔNG QUÁT
I.1 Giới thiệu động cơ điện một chiều
- Định nghĩa : Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều
sang năng lượng cơ. Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là máy
phát điện.
- Nguyên lý hoạt động : Động cơ điện 1 chiều làm việc dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ .
a Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần chỉnh lưu ( chổi than và
cổ góp).
- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam
châm điện.
- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.
- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của
rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp
xúc với cổ góp.
b Phân loại
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:
- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên:I = Iư.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi,
mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It
- Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết
diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It.
- Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và
ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đến
động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động
cơ này.
I.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
a. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Động cơ một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ của động cơ lấy từ nguồn điện khác
không liên hệ với phần ứng của động cơ .
b. Phƣơng trình đặc tính cơ
+ Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ góc (Ꞷ) và
mômen (M) của động cơ có dạng chung

4
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT



Ru  R f
Uu

.M
K ( K) 2

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 Uư = const, It = 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 lý tưởng của động cơ.
Người ta đưa thêm đại lượng β =

để đánh giá độ cứng của đặc tính cơ . Đặc tính

cơ càng dốc thì càng cứng ( β càng lớn ) tức là mômen biểu kiến ít thay đổi nhưng tốc độ
biểu kiến ít thay đổi và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là momen biểu kiến
biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.

Hình 1.1 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi
xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện)
của động cơ.
+Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần
số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ). Trên đặc
tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm.
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối
thêm các đIện trở, điện kháng.

5
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính
cơ: β =

(tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).


* 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:

Hình 1.2 Sơ đồ tương đương của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
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:
+Uư: điện áp phần ứng.
+Eư: sức điện động phần ứng.
+Rư: điện trở mạch phần ứng : Rư=rư +rcf +rb +rct
+rư: điện trở cuộn dây phần ứng.
+rcf: điện trở cuộn cực từ phụ.
+ri: điện trở cuộn bù.
+rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+Iư: dòng điện mạch phần ứng.
+Eư được xác định theobiểu thức sau:

Eu 

pN
  
2a

+ 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.
+ Ф: từ thông kích từ dưới một cực từ.
+: tốc độ góc.

pN
K
2a

6
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ

Eu  K e n

  2n / 60  n / 9,55
Vì vậy

pN
n
60a
K
Ke 
 0,105K
9,55

Eu 

Suy ra




U u Ru  R f

Iu
K
K

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ .
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt  K ..I u
Suy ra

I u  M dt / K
Thay vào (*) ta được
Ru  R f
U
 u 
M dt
K ( K) 2
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ
bằng M.
Ta có
Ru  R f
U
 u 
M
K ( K) 2
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đồ thị hình vẽ:

7
Nguyễn Thị Mỹ Duyên



ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 1.3 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Nhận xét :
+ Iư = 0 hoặc M = 0 ta có
Uu

 0
Ru  R f
Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
+ω = 0 thì I u 

U
: Dòng điện ngắn mạch.
Ru  R f

M = K.Ф.Imm = Mmm Mômen ngắn mạch.
U
RI
 u 
  0  
K K
Ru  R f
U
 u 
M   0  
K ( K) 2


Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư, 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.
c. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

8
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền
động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất.Điều chỉnh tốc
độ là dùng phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để
thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện thường bị thay đổi do
sự biến thiên của tải ,của nguồn hay
chế độ làm việc như mở máy ,hãm máy ...và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật
mong muốn ....Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh
tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện
Trong thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
+ Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho
mạch kích từ.
+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
c.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song làm việc ở
chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện một chiều kích
từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành
một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.

Hình 1.4 Sơ đồ bộ biến đổi để điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

Ta có phương trình

Eb  Eu  I u ( Rb  Rud )



Eb
R  Rud
 b
Rud K dm I u
K dm
K  Km

   0 (U dk ) 

M



Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ
không tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị Uđk của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói
phương pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi

9
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

+ Tốc độ không tải lý t¬ưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể
nói ph¬ương 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 xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính
vào giá trị độ cứng
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng khồn đổi . Tốc độ
không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị U ĐK của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói
phương pháp này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ.
Chú ý:
+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói
phương 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 ω0max, KM , Mđm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ
thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng
M nm min  M c max  K M M dm
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn
men ngắn mạch là Mmmmin = Mcmax = KM.Mđm (KM: là hế số mômen quá tải). Họ đặc tính cơ
là các đường thẳng song song nên ta có

Với ω0max, KM ,Mđm 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:
0 max  / M dm  10 .
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
Mt=const trong toàn dải điều chỉnh.
c.2 Điều chỉnh từ thông động cơ

10
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen
điện từ của động cơ điện . Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy
hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.

Hình 1.5 Sơ đô điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông
Từ sơ đồ trên ta được

iu 

ek
d
 k
rb  rk
dt

rk : điện trở dây quấn phần ứng.
rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích.
k : số vòng của cuộn dây kích từ
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc tính cơ
thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,
từ thông định mức và 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 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
c.3 Thay đổi điện trở phụ Rf
Từ phương trình đặc tính (*)


U u Ru  R f

Iu
K
K
(*)

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 .
d. Kết luận

11
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so với
phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ thông bị
nguồn điện áp 1 chiều cố định . Băm xung áp 1 chiều dùng để điều chỉnh tốc độ động

cơ 1 chiều , tạo nguồn ổn áp dải rộng,.. hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều
kiện chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các
ưu điểm hơn như sau:
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi
ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
2 - 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
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác
định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hổi phải có nguồn
áp điều chỉnh được song nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó. Vì vậy
phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
I.3 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều ( BXDC )
I.3.1 Khái niệm , phân loại các bộ BXDC
a. Khái niệm
Băm xung áp 1 chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ 1 nguồn
một chiều . Thường được ứng dụng để điều chihr tốc độ động cơ điện 1 chiều , tạo ra nguồn
áp dải rộng ...
b. Phân loại
Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cách mắc
khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp
hay song song . Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ
biến đổi xung áp là bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi
xung áp là bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào.
Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều
hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều .
Ở đây phân loại theo cách mắc khóa điện từ với tải : có 4 loại
- Băm xung có mạch mắc nối tiếp : phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải .
- Băm xung có mạch mắc song song : phần tử đóng cắt mắc song song với tải
- Băm Xung nối tiếp kết hợp song song

- Băm xung tích lũy năng lượng
I.3.2 Các sơ đồ băm xung
a. Băm xung nối tiếp – giảm áp (Step – down (Buck))

12
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 1.6 Sơ đồ băm xung nối tiếp
Phần tử diều chỉnh quy ước là khóa S( van bán dẫn điều khiển)
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 LC. Điôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tả khi khóa K
ngắt’
+ S đóng => U được đặt vào đầu của bộ lọc. Giả thiết các van là lý tưởng (bỏ qua sụt áp trên
các van trong bộ biến đổi) khi đó ud = U.
+ S mở => hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích luỹ trong
cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, khi đó mặc dù ud=0 nhưng id ≠ 0
Như vậy, Ud  U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp .
Đặc tính truyền đạt:
W1 =

=

=γ

b . Băm xung áp song song – Tăng áp ( step – up ( boost))

Hình 1.7 Sơ đồ băm xung áp song song

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).

13
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L  D  Tải. Vì từ thông trong L không giảm tức thời
d

về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL  w dt , có cùng cực tính 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
c. Băm xung đảo cực
- Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.8 Sơ đồ băm xung áp có đảo cực
Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E . L1 chỉ đóng vai trò tích
luỹ năng lượng . C đóng vai trò lọc
- Hoạt động
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U  S  L1  -U. Năng lượng tích luỹ trong cuộn
cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng  D thông
 năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn
U nguồn

d. Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng)
- Sơ đồ nguyên lý

14
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 1.9 Sơ đồ băm xung áp đảo dòng
Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đó được thay bởi mạch tương đương RL-E
Nguyên lý hoạt động:
 Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0  t  T , động cơ được nối nguồn qua S1 , điện áp đặt lên động cơ là
U.
Trong khoảng T  t  T , S1 ngắt,động cơ được nối ngắn mạch qua D 2 ,điện áp đặt
lên động cơ là 0.
 Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng 0  t  T , S2 ngắt,động cơ được nối nguồn qua D1 ,điện áp đặt lên
động cơ là U.
Trong khoảng T  t  T , S2 dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua S2 ,điện áp đặt
lên động cơ là 0.
Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải

15
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT


0

t

0

t

0

t

0

t

Hình 1.10 Đồ thị dạng sóng dòng và áp trên tải
Tính toán các thông số trên sơ đồ
Trong khoảng S1 ( D1 ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có:

Ri  L

di
E  U.
dt

Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: i(t) 

UE
t 

t 
.(1  e
)  I min .e
R

Trong khoảng S2 ( D 2 ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có: Ri  L

di
E0
dt

(t T)
(t T)
E

)  I max e 
Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: i(t)   (1  e
R

16
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

I min

T
 T



U e 1 E
U 1 e 
  T
 ; I max  
T
 R
R  
R 

 e 1 
 1 e


 E
 R


trong đó  

L
R

T

T

1
1
Điện áp trung bình trên động cơ: U d   u d dt   Udt U

T0
T0
Dòng điện trung bình: Id 

U d  E U  E

R
R

I  I min
Độ nhấp nhô dòng điện: Id  max
2

T
T
(1 )T



U 1 e  e  e 

T
2R 
e  1








x2
U
Do  1 nên sử dụng công thức tính gần đúng e  1  x 
ta được ΔId 
 (1   )

2
2fL
U
 ΔId max 
8fL
T

x

Dòng trung bình qua S1 ( D1 ) là: I1  I d
Dòng trung bình qua S2 ( D 2 ) là: I 2  (1   )I d
e . Bộ đảo áp
Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.11 Sơ đồ băm xung áp đảo áp

17
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nguyên tắc điều khiển:
Chu kỡ đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời

gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn đó.
Nguyên lý hoạt động
Chế độ động cơ ( 0,5    1)

0

t

0

t

0

t

0
t
Hình 1.12 Đồ thị dòng và áp ra trên tải

T
 t  T thi S1 và S2 cùng dẫn, điện áp
2
đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ I min tới Imax ta có phương
Trong các khoảng 0  t  T(  0,5) và

trình: Ri  L

di
EU.

dt

18
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Trong các khoảng T(   0,5)  t 

T
và T  t  T thì S1 và S2 không đồng thời
2

dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp đặt lên động cơ là
0,dòng điện qua động cơ giảm từ I max xuống I min , ta có phương trình Ri  L

di
 E  0.
dt

Các thông số của mạch
Biểu thức dòng tải
Trong khoảng 0  t  T(  0,5) : điện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua động cơ
tăng từ Imin tới Imax.
- Phương trình dòng qua động cơ: Ri  L

di
EU
dt


Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:

i(t) 

U E
t 
t 
.
.(1  e
)  I min .e
R
Trong khoảng T(   0,5)  t 

T
: dũng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên
2

động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin.
- Phương trình dòng qua động cơ: Ri  L

di
 E  0.
dt

Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:
 (t T)
 (t T)

E



i(t)   1  e
trong đó     0,5
  I max e
R


T
, dựa vào hai phương trình trên ta có:
min
2
T
 T



U  e 1 E
U 1 e   E
L

 ; I max 
 trong đó  
T

T
 R
 R
R  2 
R 
R

2 
e

1
1

e





- Với điều kiện i(0)  i( )  I

I min

- Độ nhấp nhô dòng điện:

I 
d

Imax  Imin
U
U

(2  1)(1   ) 
2fL
16fL
2
T

2

2
2
- Điện áp trung bình đặt trên động cơ: Ud   u d dt 
T0
T
- Dòng điện trung bình Id 

U d E (2 1)U E

R
R

19
Nguyễn Thị Mỹ Duyên

T

 Udt  2U  (2  1)U
0


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V

(21)U E
R
(21)U E
- Dòng trung bình qua các diot: I 2  (1   )Id  (1   )

R
Chế độ hãm tái sinh ( 0    0.5 )
- Dòng trung bình qua các van S1, S2: I1  Id  

Trong khoảng 0  t  T động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điện qua động cơ
tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình: Ri  L

di
 E (đối với
dt

sơ đồ này thỡ khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải
t

t

E
phương trình trong khoảng xét ta được: i(t)  (1  e  )  I min e  (1)
R

20
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
T
, động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1 và D2,
2
di
dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta có phương trình Ri  L  E  U .

dt
Trong khoảng T  t 

EU
(1  e
Giải phương trình trong khoảng xét ta được i(t) 
R

 (t T)


)  I max e

 (t T)


(2)

Điện áp trung bình đặt lên động cơ:

2
Ud 
T

T2


0

2

u d dt 
T

T2

 (U)dt  (2  1)U

T

U d  (E) E  (1  2 )U

R
R
Dòng trung bình qua các van S1, S2 là: I1  I d
Dòng điện trung bình là: Id 

Dòng trung bình qua các diot D1, D2là: I 2  (1   )I d
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: U ng.max  U
f . Bộ Chopper lớp E
Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều
- Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.13 Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều
Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn
IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải .
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi
này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo
chiều quay.

21

Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm . Các Điôt Đ1, Đ2, Đ3, Đ4 dùng
để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh .
Có các phương pháp điều khiển khác nhau như: Điều khiển độc lập, điều khiển
không đối xứng và điều khiển đối xứng .
Kết luận :
+ Đặc điểm của 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 vỡ 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 ở 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 ở đầu ra có thể điều
khiển theo hai cách:
- Thay đổi độ rộng xung.
- Thay đổi tần số băm xung.
I.3.3 Phân tích sơ đồ băm xung áp 1 chiều có đảo chiều cấp điện cho tải là phần ứng
của động cơ 1 chiều .

1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý băm xung 1 chiều có đảo chiều

22
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn
IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải .
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này
thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều
quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm . Các Điôt D1, D2, D3, D4 dùng
để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh .
Có các phương pháp điều khiển khác nhau như: Điều khiển độc lập điều khiển không
đối xứng và điều khiển đối xứng.
2. Các phƣơng pháp điều khiển
a.Phƣơng pháp điều khiển độc lập
Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp còn
lại sẽ khoá.
+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ .
+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn .
b. Phƣơng pháp điều khiển không đối xứng
Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1và thứ
2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc , S3 luôn bị khoá , S4 được đóng mở ngược pha
với S1.
Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc :
+Trạng thái 1: γ E > Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp cho

động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0 ÷ t1 .
+Trong khoảng t1 ÷ T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo
chiều cũ và khép mạch qua S2,D4.
Trạng thái 2: γ E < Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2 (chế độ hãm)
+Trong khoảng 0 ÷ t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt D1,D2
(ID1=ID2=It)
+Trong khoảng t1÷ T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua D2 ,S4 (ID2=IS4=It)
Trạng thái 3: γ E=Et :
+Trong khoảng 0 ÷ t0: Et > γE :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua D1 và D2
(ID1=ID2=It)
+Trong khoảng t0 ÷ t1 : γE > Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ
Năng lượng từ nguồn qua S1 ,S2 cấp cho động cơ
+Trong khoảng t1÷ t2: S1 khóa ,S4 mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho
động cơ và duy trì dòng điện qua D2 ,D4
+Trong khoảng t2 T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ
đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,D2

23
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi theo
chiều ngược lại
Các biểu thức tính toán:
+Giá trị dòng trung bình qua tải
Ta có L.

dit
 R.it  E  U

dt

T
T
T
dit 1 T
1
1
1
Do đó . L.   R.it dt   Et .dt   U t dt
T o dt T 0
T 0
T 0

R.It + E =  U
U  E
 It 

R
IS 

+Dòng trung bình qua van
t

L U (1  b11 )(1  a1 .b1 )
.
R
T .(1  a1 )

t0


Với a1  e  b1  e 
Rút gọn ta có: IS =  It
+Dòng trung bình qua Điôt

U .L.(1  a1b1 )(1  b11 ) E
ID 
 (1   )  (1   ) I t
1  a1
R

+Giá trị trung bình điện áp ra tải: Ut=  U
Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển γ để điều chỉnh điện áp ra tải
c. Phƣơng pháp điều khiển đối xứng
Cách 1: Điện áp ra đơn cực tính (Unipolar Voltage Switching)
Nguyên tắc điều khiển
Chu kỡ đóng cắt của các van bán dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng 0 < t <2γT , S2 dẫn
trong khoảng 2γT< t < 2T ; S3 dẫn trong khoảng T < t < (1+γ)T , và S4 dẫn trong khoảng
(1+γ)T < t < 2T .
+Chế độ làm việc ở góc phần tư 1(1>γ>0.5)

24
Nguyễn Thị Mỹ Duyên


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

0

t


0

t

t

t

t

t
Hình1.15 Đồ thị dòng và áp với phương pháp điều khiển đối xứng cách 1
* Trong khoảng 1, S1 và S2 được kích dẫn, động cơ được nối với nguồn U, dòng phần ứng
tăng.
* Trong khoảng2, S2 tắt, S3 được kích dẫn, do phần ứng có tính chất điện cảm nên dòng qua
phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3. Lúc này điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng trong động
cơ giảm.
* Trong khoảng 3, S2 lại được kích dẫn, S3 tắt, do đó động cơ được cấp điện áp U từ nguồn,
dòng qua phần ứng tăng.

25
Nguyễn Thị Mỹ Duyên