Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bán dẫn công suất trong mạch bảo vệ động cơ p1 ppt

nếu không có các biện pháp bảo vệ tin cậy thì sẽ gây tác hại rất xấu đến thiết bị điện và rất nguy hiểm cho người sử dụng.. Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đ

Mở đầu

1 Đặt vấn đề

Hiện nay điện năng đã và đang là nguồn năng lượng chính tạo đà cho sự phát triển của mọi, ngành mọi lĩnh vực đời sống, kinh tế, quốc phòng của mỗi quốc gia ở mỗi thời kỳ khác nhau năng lượng điện thâm nhập vào quá trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con người cũng khác nhau Nhưng một điều rõ ràng là xã hội càng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng càng lớn và nó càng được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên năng lượng điện chỉ mang tính ưu việt khi các thông số của nó như dòng điện, điện áp, tần số ổn

định ở mức cho phép Còn khi lưới điện xảy ra sự cố như mất một pha, ngắn mạch, chế độ mất đối xứng về điện áp hoặc đảo thứ tự pha nếu không có các biện pháp bảo vệ tin cậy thì sẽ gây tác hại rất xấu đến thiết bị điện và rất nguy hiểm cho người sử dụng

Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế ứng dụng các thiết bị bảo vệ là vấn đề rất quan trọng Các thiết bị điện càng tinh vi càng hiện đại thì càng cần thiết phải bảo vệ Yêu cầu của bảo vệ khi ấy phải rất tin cậy, chính xác và độ chắc chắn cao

Chế độ không đối xứng của lưới điện ba pha gây qua tải, phát nóng và tăng tổn thất trong máy phát, động cơ không đồng bộ, máy biến áp làm cho thiết bị điện hoạt động không tin cậy hoặc bị hỏng

Chế độ mất đối xứng rất nguy hiểm mà động cơ không đồng bộ thường gặp là mất pha hoặc thứ tự pha thay đổi Khi đó động cơ bị quá tải, mômen quay giảm, nhiệt độ tăng cao làm cháy hỏng cách điện Thiệt hại do động cơ

bị hỏng hóc, làm gián đoạn quy trình công nghệ của nhà máy, xí nghiệp, gây

ra các hậu quả nghiêm trọng

để bảo vệ động cơ điện và các thiết bị điện ba pha nói chung người ta sử dụng các thiết bị bảo vệ như: cầu chảy, áptômát, rơle nhưng trong nhiều trường hợp chúng ta chưa đạt được nhu cầu cần thiết của bảo vệ Chẳng hạn để

cụng suất trong mạch bảo vệ động cơ

trong nhiều trường hợp rơle nhiệt không tác động, nhất là khi động cơ bị mất pha và đảo pha Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu mới của khoa học kỹ thuật trên cơ sở phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, điện tử công suất vào việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo vệ

Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nước chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất được đưa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc phục vụ đời sống hàng ngày

Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, điều này kéo theo sự phát triển và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor các bộ biến đổi ngày càng hiện đại, gọn nhẹ, độ tác động nhanh, dễ ghép nối với các vi mạch điện tử

Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ để đưa tự động hóa vào sản xuất em xin giới thiệu đề tài

“Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất.”

ở nước ta, nhiều năm gần đây một số đơn vị khoa học kỹ thuật đã đầu tư nghiên cứu chế tạo thiết bị bảo vệ chống mất pha và đảo pha đối với động cơ

điện Cơ sơ của việc nghiên cứu chế tạo dựa trên những tư liệu nước ngoài và cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện nước ta

Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu hướng thị trường, ngành thiết bị

điện cũng được đa dạng hoá Các thiết bị bảo vệ cũng vì thế mà phong phú, nhiều chủng loại, chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau Bên cạnh những ưu việt về tính năng kỹ thuật, phạm vi sử dụng Các thiết bị này còn bộc lộ nhiều trở ngại là giá thành cao Đặc biệt là trong nông nghiệp, đối với các cơ sở kinh

tế nhỏ, xí nghiệp xay sát, chế biến nông sản, các trạm bơm công suất nhỏ thì việc sử dụng các thiết bị bảo vệ đắt tiền cho động cơ là một bài toán nan giải

Do còn hạn chế về mặt trình độ và thời gian nghiên cứu, kinh nghiệm con nhiều non kém nên đề tài này chắc không thiếu những sai sót, chưa được

hoàn thiện Rất mong được sự góp ý, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học kỹ thuật và các bạn đồng nghiệp quan tâm đến đề tài này

2 Mục đích đề tài

- Tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn và các phần tử logic

- Nghiên cứu về động cơ ba pha và sự mất cân bằng pha

- ứng dụng các linh kiện bán dẫn và phần tử logic vào việc nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ động cơ

3 nội dung đề tài

Đề tài ứng dụng điện tử công suất trong Nghiên cứu thiết kế mạch bảo

vệ động cơ dùng bán dẫn công suất là một đề tài rộng Các phương pháp nghiên cứu ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian Vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài được giới hạn như sau

Chương1: Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn và một số mạch logic cơ bản

Chương 2: Giới thiệu về mạch điện xoay chiều và động cơ ba pha

Chương 3: ảnh hưởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha

Chương 4: Một số phương pháp bảo vệ động cơ ba pha

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế, tính toán mạch điện trên lý thuyết

- Tổ hợp các tín hiệu phát hiện mất pha và đảo pha trên chính các pha của nguồn, từ hai pha liên tiếp nhau để đảm bảo đúng thứ tự các pha Việc tổ hợp các tín hiệu này được thực hiện trên các mạch logic của Nhật: 4011, 4049,

4081

- Tiến hành lắp ráp khảo nghiệm trong thực tế để hiệu chỉnh lại mạch

một số linh kiện bán dẫn và các mạch logic

cơ bản 1.1 Điôt

1.1.1 Điôt công suất

+ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Điôt được hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo thành lớp chuyển tiếp P- N

Điôt bán dẫn có cấu tạo như hình 1.1

Hình 1.1: Điôt bán dẫn

a- Cấu trúc bên trong của điôt

b- Ký hiệu của điôt

c- Hình dạng bên ngoài của điôt

Đặc tính V- A của điôt biểu diễn quan hệ U= f(I) giữa dòng điện qua

điôt và điện thế đặt vào 2 cực điôt

Đặc tính V- A tĩnh của điôt có 2 nhánh

Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận (sơ đồ nối mạch ở góc I) thì dòng

điện tăng theo điện áp Khi điện áp đặt vào điôt vượt một ngưỡng Un cỡ 0,1ữ 0,5 V và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng parabol (đoạn 1) Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2)

Điện trở thuận của điôt ở 1 điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo:

1

th

I tg

R = ΔU = α

Δ (1-1)

c)

Đó chính là giá trị nghịch đảo đạo hàm dI

dU của đặc tính của tại điểm tính điện trở

Nhánh ng−ợc ứng với phân áp ng−ợc (sơ đồ nối mạch ở góc III) Lúc

đầu , điện áp ng−ợc tăng thì dòng điện ng−ợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nh−ng chậm (đoạn 3) Tới điện áp ng−ợc U > 0,1V thì dòng điện ng−ợc có trị

số nhỏ vài mA và gần nh− giữa nguyên Sau đó điện áp ng−ợc đủ lớn U >

Ungmax thì dòng điện ng−ợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điôt bị đánh thủng Lúc này, dòng điện ng−ợc tăng vọt dù có giảm điện áp

Điện áp lúc này là điện áp chọc thủng Điôt bị phá hỏng Để đảm bảo an toàn cho điôt, ta nên cho điôt làm việc với điện áp ng−ợc – 0,8 Ungmax thì dòng điện

rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh− ở trạng thái khóa

Vùng khuỷnh là vùng điện trở ng−ợc của điôt đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ng−ợc từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn

Khi phân cực thuận thì dòng điện qua điôt theo công thức:

.

1

D

V KT

q

⎝ ⎠ (1- 2)

Ta có: q= 1,6.10-19 C

T: Nhiệt độ tuyệt đối (0K)

K: Hằng số boltzman, k=1,38 hoặc K=1,38.10-23j/0K

+ Các thông số cơ bản của điôt

- Dòng điện định mức là dòng cực đại cho phép đi qua điôt trong thời

gian điôt mở (ID)

-Điện áp ngược cực đại UNgmax là điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào điôt trong một thời gian dài khi điôt khoá

- Điện áp rơi định mức Δu là điện áp rơi trên điôt khi điôt mở và dòng

qua điôt bằng dòng thuận định mức

- Thời gian phục hồi tính khoá T k là thời gian cần thiết để điôt chuyển

từ trạng thái mở sang trạng thái khoá

+ Các ứng dụng của điôt

- Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

V1 = Vm Sinωt

V2 = -Vm Sinωt

Hình1.3: Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

- Mạch chỉnh lưu 3 pha một nửa chu kỳ

V1 = Vm Sinωt

V2 = Vm (Sinωt - 2π/3)

V3 = Vm (Sinωt - 4π/3)

Hình 1.4: Mạch chỉnh lưu ba pha một nửa chu kỳ

- Chỉnh lưu cầu

V2 V1

Hình 1.5: Chỉnh lưu cầu

- Dùng bảo vệ tranzito

Hình 1.6: Mạch bảo vệ tranzito

Bảng 1.1: Điôt công suất

Itb Uim ΔU Tốc độ quạt Tộc độ nước Mã hiệu

Liên Xô (cũ)

chế tạo

B- 10

B-20

B-25

B-50

B-200

BK2b-350

BΠ-10

BΠ- 25

10

20

25

50

200

350

10

25

50

100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 300ữ 1000 300ữ 1000 300ữ 1000

0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,8 0,6 0,6 0,6

3

6

12

3

6

4

BΠ-200

BΠ-1000

200 1000

300ữ 1000

1000

0,7 0,8

12

4 Hãng Thomson chế tạo

ESM- 61

BYX- 61

BYT 30

BYT 60

BYW 80

10

12

30

60

80

200ữ 800

80ữ 300

200ữ 1000

200ữ 1000

50ữ 200

1.1.2 Điôt ổn áp

Điôt ổn áp là một loại điôt bán dẫn có đặc tính ổn áp, được dùng sản xuất chuyên dụng phục vụ các thiết bị ổn áp và mạch điện tử Nó được phân biệt với các loại điôt khác có ứng dụng chỉnh lưu, tách sóng

+ Tác dụng ổn áp

Để thấy rõ tác dụng ổn áp của điôt ta hãy xét phần nghịch của đặc tuyến V- A của điôt ổn áp Khi điện áp nghịch đạt đến một giá trị nhất định, thì dòng điện nghịch tăng lên một cách đột biến, sau đó ứng với phạm vi biến thiên rất lớn của dòng điện nghịch là phạm vi biến thiên rất nhỏ của điện áp nghịch Đó là hiện tượng đánh thủng điện

Điều kiện để sử dụng đặc tính ổn áp nói trên là trong mạch điện điôt ổn

áp phải có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho sự đánh thủng không dẫn đến

sự đánh thủng nhiệt làm hỏng bóng ổn áp

+ Mạch điện tương đương

Hình 1.7: Mạch điện tương đương và ký hiệu của điôt ổn áp

+ Nguyên lý đánh thủng: Hiện tượng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N

có thể do hai cơ chế sau đây:

- Hiện tượng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện trường nghịch đặt

vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng lượng để tách khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do, tạo ra cặp điện tử- lỗ trống Vì lúc này

số hạt dẫn tăng đột biến nên xảy ra hiện tượng đánh thủng

- Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện trường nghịch đặt vào mạnh, thì

năng lượng của các hạt dẫn tăng lên lớn hơn, có thể xảy ra va chạm làm bứt các điện tử lớp ngoài của nguyên tử Phản ứng dây chuyền này xảy ra làm cho

số hạt dẫn tăng lên đột biến nên xảy ra hiện tượng đánh thủng

+ Các tham số của điôt ổn áp

- Điện áp ổn áp là giá trị điện áp ổn áp trên hai cực của điôt ổn áp khi

nó làm việc trong mạch điện ổn áp Giá trị này có thể thay đổi nhỏ, phụ thuộc vào dòng điện công tác nhiệt độ

- Dòng điện công tác là giá trị dòng điện nằm giữa đoạn đặc tuyến làm

việc của điôt zener được dùng để tham khảo

- Hệ số nhiệt độ là hệ số biểu thị sự ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ đối

với giá trị điện áp ổn áp

- Điện trở động là tỷ số giữa số gia điện áp và số gia dòng điện tương

ứng Điện trở động thay đổi theo dòng địên công tác, dòng địên công tác càng lớn thì điện trở động càng nhỏ

- Công suất tiêu hao cho phép là tham số xác định nhiệt độ tăng cao

cho phép Nếu biết điện áp ổn áp thì tính được dòng điện công tác cực đại cho phép bằng tỷ số giữa công suất tiêu hao cho phép với giá trị điện áp ổn áp

1.1.3 điôt phát quang (Đèn LED)

+ Linh kiện hiển thị bán dẫn

- Một số vật liệu bán dẫn đặc biệt như hợp chất GaAsP, khi làm thành lớp chuyển tiếp P- N, nếu có điện áp thuận đặt vào, thì có bức xạ quang, tức là biến điện năng thành quang năng Sử dụng các chuyển tiếp P- N bức xạ quang

- Đặc điểm: Quang phổ phát xạ của hiển thị bán dẫn phù hợp với cảm

thụ thị giác, điện áp công tác thấp (1,5 – 5)V, thể tích nhỏ, tuổi thọ cao (hơn

1000 giờ làm việc), dòng định mức Iđm=(10 ữ20) mA

+ Nguyên lý làm việc

Tương tự như các loại điôt bán dẫn khác, chỉ có điều khác biệt là dưới tác dụng của dòng điện thì vật liệu chế tạo điôt quang sẽ phát sáng Do đặc

điểm này nên vỏ của điôt quang phải trong suốt để có thể nhận biết được mầu sắc của ánh sáng chất phát quang tạo ra khi có dòng điện tác dụng vào

+ Đặc điểm

- ưu điểm: hiển thị phù hợp với thị giác, ổn định và tin cậy, tâm hiển thị

khá lớn, tuổi thọ cao

- Nhược điểm: cần nguồn công suất phù hợp để có thể phát ra ánh sáng

đủ để có thể nhận biết bằng mắt thường

1.2 Tranzito công suất

1.2.1 Cấu tạo

Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghép với nhau như hình sau

Hình 1.8: Tranzito loại PNP

a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu

a) b) Hình 1.9: Tranzito loại NPN

a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu

Lớp giữa được gọi là cực gốc (Bazơ) ký hiệu là B, một lớp bên gọi là cực phát (Emiter) ký hiệu là E, lớp còn lại là lớp ghóp (Colectơ) ký hiệu là C

B

P

E

B

N