Đồ Án Môn Học Điện Tử Công Suất.doc

Trang 1 Đồ án môn họcĐiện tử công suấtNội dung : Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều với các thông số sau:+ U = 48 VDC.+ Iđm = 60 A+ D = 25 :1+ Không đảo chiều+ n = 1000 v

Gi¸o viªn h íng dÉn: Ph¹m quèc h¶i.

Nhãm sinh viªn thùc hiÖn:

Phan Thanh Minh

Lª V¨n QuyÕt

Bïi Anh TuÊn

NguyÔn Danh TuÊn

NguyÔn Thanh Long

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất

n-ớc, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại đợc sử dụngrộng rãi trong trong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống conngời Đặc biệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bándẫn

Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng nh tronglĩnh vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnhnhằm tiết kiệm năng lợng ngày càng đợc đòi hỏi và thay thế

Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơxăng,diezen ngày càng có xu hớng giảm vì các nhợc điểm nh: Tiêu haonhiều năng lợng, ô nhiễm môi trờng Đồng thời với các thành tựu củakhoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng đợchoàn thiện Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ

điều khiển các loại động cơ đó với chất lơng tốt nhất, thoả mãn cácyêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng và thay thế các động cơcũ

Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tơng lai đápứng đợc nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ độngcơ điện một chiều

Nội dung của đồ án:

+ Chơng I: Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

+ Chơng II: Bộ băm xung áp một chiều

+ Chơng III: Các phơng án Tổng thể

+ Chơng IV: Thiết kế mạch lực

+ Chơng V : Thiết kế mạch điều khiển

Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhng do kiến thức có hạnnên không thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định ,mong các thầy

đóng góp ý kiến để đồ án đợc hoàn thiện hơn

Để hoàn thành đồ án này chúng em xin chân thành cảm ơn sự

h-ớng dẫn tận tình của thầy Phạm Quốc Hải.

Nhóm sinh viên thực hiện.

2

Chơng I :

Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

1 Động cơ điện một chiều

1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều :

Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn đợc coi là mộtloại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện

đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều u điểm nh khả năng điềuchỉnh tốc độ rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năngquá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều đợc dùng nhiều trong cácnghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh cánthép , hầm mỏ, giao thông vận tải

mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn

điện một chiều

Bên cạnh đó , động cơ điện một chiều cũng có những nhợc điểmnhất địnhcủa nó nh so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắthơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tialửa điện ) nhng do những u điểm của nó nên động cơ điện mộtchiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vàokhoảng 10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V H-ớng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng caochỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suấtlớn hơn Giản đồ kết cấu chung của đông cơ điện một chiều ở hìnhdới :phần ứng đợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện độngE,ở phần stato có vài dây quấn kích từ :dây quấn kích từ độc lậpCKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,dây quấn cực từ phụ CF,và dâyquấn bù CB.Hệ thống các phơng trình

1.2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phầntĩnh và phần động

1.2.1 Phần tĩnh hay stato.

Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau:

a 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 bằngnhững lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại

và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ

đợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ đợc quấnbằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách

điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trớc khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ đợc đặt trên các cực từ này đợc nối tiếp vớinhau

b Cực từ phụ : Cực từ phụ đợc đặt trên các cực từ chính và dùng

để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thờng làm bằng thépkhối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống nhdây quấn cực từ chính Cực từ phụ đợc gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

1 2.2 Phần quay hay rôto.

Bao gồm những bộ phận chính sau :

a Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ Thờng dùng những tấm thép

kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặtlại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dậphình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗthông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông giódọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thànhnhững đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hởthông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dâyquấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trựctiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giárôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹtrọng lợng rôto

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm

để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ haybakelit

c Cổ góp : dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một

chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhaubằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn.Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành

4

0

M Mđ

m

ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một

ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp

đợc dễ dàng

d Các bộ phận khác.

- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều ờng chế tạo theo kiểu bảo vệ ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánhquạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoàivào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi quaquạt gió ra ngoài làm nguội máy

- Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.Trục máy thờng làm bằng thép cacbon tốt

2 3 Đ ặc tính cơ của động cơ điện một chiều :

2.3.1 Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song:

Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)vàmômen (M)

Do R rất nhỏ, nên khi tảithay đổi từ không đến

định mức thì tốc độgiảm rất ít cho nên đặctính cơ của động cơ

điện kích thích songsong rất cứng Với đặc

điểm nh vậy, động cơ

điện kích thích song song đợc dùng trong những trờng hợp tốc

độ hầu nh không đổi khi tải thay đổi

2.3.2 Động cơ điện kích thích nối tiếp:

ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính

là dòng điện phần ứng : It= I=I Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểuthị:

=K.Itrong đó hệ số tỷ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; cònkhi I >(0,8  0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoà mạch từ

Nh vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:

*

M * Mđ

m

M=CM..I=CM

Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện mộtchiều kích thích nối tiếp có dạng là đờng hypebol bậc hai

Ta thấy, ở động cơ một chiềukích thích nối tiếp, tốc độ quay ngiảm rất nhanh khi M tăng Và khimất tải (M=0, I=0) thì n có trị sốrất lớn Vì vậy thờng chỉ cho phép

động cơ làm việc với tải tối thiều

P2=(0,2  0,25)Pđm Từ dạng đặctính cơ ta cũng có nhận xét là

đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm  động cơ nốitiếp rất u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độthay đổi trong một vùng rộng

2.3.3 Động cơ điện kích thích hỗn hợp:

Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song Tácdụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ng-

ợc nhau Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì

động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm việc ổn định Độngcơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung giangiữa hai loại kích thich song song và nối tiếp Khi tải tăng thì từ thôngtăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềmhơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song Tuy nhiênmức độ tăng của từ thông không mạnh nh ở động cơ kích thích nốitiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bùcứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp

Từ những đặc tính cơ trên ta thấy rằng động cơ một chiều kíchthích nối tiếp và hỗn hợp đáp ứng đợc yêu cầu truyền động Nó có nh-

ng u điểm :

6

+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều nàyrất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốthơn Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề.

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Inên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới

điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giaothông có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sửdụng Tuy nhiên ngời ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nócho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà vẫn đảm bảo tốt các yêucầu truyền động

2 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải tronggiao thông có thể dùng phơng pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơqua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh Điều chỉnh bằng ph-

ơng pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnhcủa cơ cấu cơ khí bấy nhiêu

Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ mộtchiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từthông 

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay

đổi đợc liên tục & giữ đợc hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự

điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suấtnhỏ so với công suất động cơ Nhng do bình thờng động cơ làm việc

ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max), nên chỉ

có thể điều chỉnh theo hớng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độtrong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các

điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phơng pháp này không thíchhợp trong trờng hợp động cơ kéo tải giao thông.

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ chophép điều chỉnh tốc độ quay dới tốc độ định mức vì không thểnâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ Phơng pháp này cho phép

điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U  mômenngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ýnghĩa trong lúc khởi động động cơ

+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với mộtmômen là nh nhau

+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và

đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh đợc

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điềuchỉnh điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông.Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức nh

ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí

3 Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một

Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụngtrong trờng hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ

8

chỉnh lu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đa thêm

bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu

điện kéo tải lớn

Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp mộtchiều là phù hợp Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theotính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môitrờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kíchthớc nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với xe điện di động

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thờiphân tích khái lợc về các yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của

bộ băm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng đợc cácyêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh(K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện

áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb cótrị số có thể điều chỉnh đợc Điện áp Utb này đặt vào phần ứng độngcơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

1

C2

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho

điện áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạchnâng cao chất lợng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoáK.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi

điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến

đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen

đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắtcàng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽsinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đợc bộbiến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz) Thực tế thờng dùngtần số băm khoảng 400Hz  600Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử

cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS)

Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn

rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sửdụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,cógiá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằngTiristor,nhng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơnTransistor Vì vậy ở những môi trờng làm việc nặng nề việc sử dụngTransistor là hạn chế

Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực

tế là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thìviệc lựa chọn không rõ ràng

Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt,giới hạn về các linh kiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụthuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở Dùng sơ đồ điều

10

chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ vớimột tần số đóng cắt nhất định, nâng cao đợc chất lợng điều chỉnh.

chơng II:

Bộ băm xung áp một chiều

Bộ băm xung áp một chiều có nhiều u điểm trong truyền độnggiao thông Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện áp một chiều từ 0 đếngiá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục Phần trên cũng đã đềcập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chơng này ta

đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phơng pháp

t

t1 t2

Ura là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2.

Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bảncủa các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng ph-

ơng pháp xung Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tửcông suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ

2 Phơng pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phơng pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

2.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giátrị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0

<   1)

2.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi

đó:

12

BBĐ

một chiề u

a

Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên Thực tế phơng phápbiến đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn,không cần thiết bị biến tần đi kèm

+ K đóng  US đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì Utải = US

(nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng Itải do năng ợng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0

l-Nh vậy, Utải tb  US Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Clọ c

tả

i

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải Vì từ thông trong

L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện

động tự cảm eL , có cùng cực tính US Do đó tổng điện áp:U=US+eL  làm D thông  Utải=US+eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn US ở chế độliên tục và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn

Ur a

Clọ c

Ur a

Clọ c

tả

i

K

L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lợng.

C đóng vai trò lọc

+ K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US  K  L1  -US Năng lợngtích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện quatải

+ K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờnghợp đóng  D thông  năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽngợc chiều với US

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US Giá trị tuyệt đối |Utải| cóthể lớn hơn hay nhỏ hơn US

3.4 Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:

Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng mộttải và nguồn US

Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3,  làm việclệch pha nhau một góc 2/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng

điện Itải/n ; tần số làm việc f=f/n

Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời

Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận

đợc điện áp ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúngchỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng

4 transistor c«ng suÊt :

4.1 CÊu t¹o :

Transistor lµ linh kiÖn b¸n dÉn gåm 3 líp : PNP hay NPN

VÒ mÆt vËt lý transistor gåm 3 phÇn : phÇn ph¸t, phÇn nÒn vµ phÇn thu

( b

)

C B E

( a

)

E B

C

N P P

N

C B E

( b )

( b ) ( a )

E

I C B

C

Transistor NPN a) CÊu t¹o b) Ký hiÖu

Dòng điện đo đợc trong vùng phát gọi là dòng phát IE Dòng

điện đo đợc trong mạch cực C ( số lợng điện tích qua đờng biên CCtrong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC )

Dòng IC gồm hai thành phần :

- Thành phần thứ nhất ( Thành phần chính ) là tỷ lệ hạt Electron

ở cực phát tới cực thu Tỷ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc củatransistor và là hằng số đợc tính trớc đối với từng transistor riêng biệt.Hằng số đã đợc định nghĩa là  Vậy thành phần chính của dòng IC là

IE, thông thờng  = 0,9  0,999

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phâncực ngợc lại khi IE = 0 Dòng này gọi là dòng ICBO - nó rất nhỏ

- Vậy dòng qua cực thu : IC = .IE + ICBO

*Các thông số của transistor công suất

- IC : Dòng colector mà transistor chịu đợc

- UCEsat : Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hoà

- UCEO : Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0

- UCEX : Điện áp UCE khi badơ bị khoá bởi điện áp âm, IB <0

- ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn Ugiảm xuống UCEsat  0







Bas e

p

I E+

- tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0.

- tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCEsat tăng đến giá trị

điện áp nguồn U

- P : Công suất tiêu tán bên trong transitor Công suất tiêu tán bên trong transistor đợc tính theo công thức P = UBE.IB + UCE.IC

- Khi transistor ở trạng thái mở : IB = 0, iC = 0, nên P = 0

- Khi transistor ở trạng thái đóng : UCE = UCEsat

Trong thực tế transistor công suất thờng đợc cho làm việc ở chế

độ khoá : IB = 0, IC = 0, transistor đợc coi nh hở mạch Nhng với dòng

điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà , thì transistor trở về trạng thái

đóng hoàn toàn Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật nh dòng điện góp

để tránh hiện tợng chọc thủng thứ cấp

Trạng thái dẫn và trạng thái bị khoá

a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I B lớn, IC do tải giới hạn

b) Trạng thái hở mạch I B = 0.

Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn Trong lúc

chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyển mạch Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thong số của mạch phụ tải

và dạng biến thiên của dòng điện gốc

* Đặc tính tĩnh của transistor U CE = f(IC).

Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, ngời ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hoà, tức là IB phải đủ lớn để

IC cho điện áp sụt UCE nhỏ nhất ở chế độ bão hoà, điện áp sụt trong transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5 V

18

( b )

( a )

IC

UCE

b

a

UC E

IC

IC



Đặc tính tĩnh của transistor: U CE = f ( I C ).

Vùng tuy

ến tín h

Vùng gần bão hoà

Vùng bão hoà

U CE

I C

( b ) ( a )

I C

U CE b

a

U CE

I B

I C



4 3 ứng dụng của transistor công suất :

Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có ờng độ lớn Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thờng cho làmviệc ở chế độ khoá

IB = 0 , IC = 0 : transistor coi nh hở mạch

chơng III:

các phơng án Tổng thể

Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc

điểm khác nhau tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựatrên những nguyên lý của các dạng cơ bản nh đã giới thiệu ở mục trên

Dới đây xin giới thiệu một số sơ đồ băm xung áp:

1 Bộ băm nối tiếp :

1 1 Nguyên lý hoạt động :

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đợc biểu diễn nh sau :

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm nối tiếp

trong đó :

- VS1 : là tiristor chính

- VS2 : là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm

(-) (+

)

Id

D0

ID0

LC

DCU

E

Ud

- LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ

áp ngõ ra trên tải Ud = U cpnf khi S mở thì Ud = 0

Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khoá, tụ C đợcnạp đầy với bản cực dơng ở phía trên nh ghi chú trong hình trên

Cho xung điều khiển kích tiristor VS1 , VS2 mở, dòng điện từcực dơng của nguồn U chạy qua VS1 vào phụ tải (R, L, E) rồi trở về cức

âm của nguồn U Đồng thời tụ C sẽ phóng điện teo vòng : VS1 - LC - DC

-C và tụ -C đợc nạp điện theo chiều ngợc lại Điện áp ra trên tải Ud = U Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt

điện áp giữa hai bản cực của tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khoá lại Lúcnày điện áp ra trên tải Ud =0

Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của VS1 sẽ

điều chỉnh đợc giá trị trung bình của điện áp ra trên tải

Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng Trong đó :

- Tđg = T là thời gian đóng mạch của VS1

- Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch

-  = Tđg/T là tỷ số đóng của chu kỳ

Giá trị trung bình của điên áp ra trên tải : Khi ta thay đổi tỷ số đóng  thì có thể điều chỉnh đợc

Utb Có hai cách để thay đổi  :

- Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổithời gian đóng mạch Tđg của bộ băm Phơng pháp này đợc gọi là phơngpháp điều khiển độ rộng xung

- Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg thay đổi chu kỳcủa bộ băm T ( tần số biến thiên ) Phơng pháp này đợc gọi là phơngpháp điều tần

Khi  = 0 tức là Tđg ta có Utb = 0, bộ băm thờng xuyên ngắt mạch, n

dao động LC, tức là phải đảm bảo :

Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud nh sau :

20

U U T

T Udt T

Utb

UdU

t 0

Sơ đồ biểu diễn đồ thị điện áp ngõ ra trên tải

U d

Xét quá trình dao động của dòng tải : Trong khoảng thời gian 0<

T < Tđg khoá S đóng điện Điện áp ra trên tải Ud = U , dòng điện tải Ităng từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax Biểu thức I đợc xác

định bằng cách giải phơng trình của mạch điện khi S đóng:

Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là :

Tại thời điểm t =0 thì :

Thay giá trị K1 vào ta đợc :

Khi t = Tđg ta có trị số lớn nhất của dòng điện :

Ta nhận thấy trong gia đoạn S đóng thì dòng tải tăng từ trị sốnhỏ Imin đến Imax theo quy luật của hàm số mũ

Lý luận tơng tự, xét trong khoảng thời gian Tđg < t < T, S ngắt

điện, điện áp ra trên tải Ud = 0 thì dòng điện trên tải giảm theo hàm

R

E U I

R

E U I

I    R T dg  

)( min

max

dg

T R

e I e

R

E U

U

E e

R

E I

dg T T T

R

E e

e R

U I

u dg u dg

T T T T

1

max

u dg u

dg

T ) T T ( max T

) T T (

U

E I

Nếu Tđg của khoá S giảm nhỏ đến giá trị tới hạ Tđggh thì Imin =

0 Lúc này hệ thống sẽ làm việc ở biên giới chuyển từ chế độ liên tụcsang chế độ dòng điện gián đoạn

Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián

đoạn của bộ băm nh sau :

Đồ thị biểu diễn điện áp và dòng điện ngõ ra ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ măm nối tiếp.

Ima x

Ima x

U

Ud

t 0

T dg

TngT

IS

t 0

ID0

t 0

I L

D0

Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp

Trong chế độ dòng điện liên tục vì Tx = T nên ta có Utb =

Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trị Tđg

hay  cố định thì đờng biên liên tục là một nửa đờng elip vẽ bằng cácnét đứt Dòng trung bình liên tục Itblt có trị số lnhơ nhất là Itblt = 0 ứngvới n = 0 ( Khi  =0 ) và n = nmax ( Khi  = 1 )

Họ đặc tính cơ điện của hệ thống băm nối tiếp

động cơ điện một chiều

Nh vậy, trong hệ thống băm nối tiếp sẽ đảm bảo cho máy điện

làm việc ở trạng thái động cơ Khi S mở thì Ud = U và khi S đóng thì

Ud = 0 Vây điện áp và dòng điện trung bình qua động cơ luôn luôndơng

Hệ thống này sẽ làm việc ở góc phần t thứ nhất của mặtphẳng toạ độU, I

Đồ thị biểu diễn phạm vi điều chỉnh của hệ thống sử dụng bộ băm nối tiếp

E

K

RI K

U n

n K

1

M, I n

MC min =

0

max = 1

D

L R



T 

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song.

L : là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện

cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const

Xét trong khoảng thời gian 0 <t < T thì tiristor T mở, diode D

đợc phân cực ngợc nên bị khoá để tránh llàm ngắn mạch nguồn U Lúcnày :

Ie = 0, Ud = 0, IT = Id

Trong khoảng thời gian T < t < T thì khoá D mở Lúc này:

Ie = Id , Ud = U, IT = 0

Giá trị trung bình của điện áp một chiều :

Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn :

Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tiristor :

Phơng trình mạch tải khi máy điện ở trạng thái hãm tái sinh :

24

U Udt

T U

T d

T

I    

01

R

U E I U dt

dI L RI

d d

d d