Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 1 Mở đầu 1 Đặt vấn đề Hiện nay điện năng đã và đang là nguồn năng lợng 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 lợng điện thâm nhập vào quá trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con ngời cũng khác nhau. Nhng một điều rõ ràng là xã hội càng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng càng lớn và nó càng đợc ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên năng lợng điện chỉ mang tính u việt khi các thông số của nó nh dòng điện, điện áp, tần số ổn định ở mức cho phép. Còn khi lới điện xảy ra sự cố nh 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 ngời 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 lới 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 thờng 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 ngời ta sử dụng các thiết bị bảo vệ nh: cầu chảy, áptômát, rơle nhng trong nhiều trờng hợp chúng ta cha đạt đợc nhu cầu cần thiết của bảo vệ. Chẳng hạn để bảo vệ động cơ khi bị qua tải ngời ta thờng dùng các loại rơle nhiệt, song Cu to v nguyờn lý hot ng ca thit b bỏn dn cụng sut trong mch bo v ng c Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 2 trong nhiều trờng 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 t 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 nớc chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất đợc đa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vợt 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 đa 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 nớc ta, nhiều năm gần đây một số đơn vị khoa học kỹ thuật đã đầu t 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 t liệu nớc ngoài và cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện nớc ta. Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu hớng thị trờng, ngành thiết bị điện cũng đợc 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 u 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, cha đợc Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 3 hoàn thiện. Rất mong đợc 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 phơng pháp nghiên cứu ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian. Vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài đợc giới hạn nh sau. Chơng1: Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn và một số mạch logic cơ bản Chơng 2: Giới thiệu về mạch điện xoay chiều và động cơ ba pha Chơng 3: ảnh hởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha Chơng 4: Một số phơng pháp bảo vệ động cơ ba pha 4 Phơng 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 đợc 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. Chơng I Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 4 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 đợc 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 nh 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 vợt một ngỡng U n cỡ 0,1ữ 0,5 V và cha lớn lắm thì đặc tính có dạng parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần nh đờng thẳng (đoạn 2). Điện trở thuận của điôt ở 1 điểm nào đó trên đặc tính thờng nhỏ và có thể tính theo: 1 th I tg RU == (1-1) c) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 5 Đó chính là giá trị nghịch đảo đạo hàm dI dU của đặc tính của tại điểm tính điện trở. Nhánh ngợc ứng với phân áp ngợc (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc đầu , điện áp ngợc tăng thì dòng điện ngợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhng chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngợc U > 0,1V thì dòng điện ngợc có trị số nhỏ vài mA và gần nh giữa nguyên. Sau đó điện áp ngợc đủ lớn U > U ngmax thì dòng điện ngợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điôt bị đánh thủng. Lúc này, dòng điện ngợc 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 ngợc 0,8 U ngmax thì dòng điện rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh ở trạng thái khóa. Vùng khuỷnh là vùng điện trở ngợc của điôt đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngợc từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn. Hình 1.2: Đặc tính V-A của điôt Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 6 Khi phân cực thuận thì dòng điện qua điôt theo công thức: . 1 D V KT Ds q IIe = (1- 2) Ta có: q= 1,6.10 -19 C T: Nhiệt độ tuyệt đối ( 0 K) K: Hằng số boltzman, k=1,38 hoặc K=1,38.10 -23 j/ 0 K. + Các thông số cơ bản của điôt. - Dòng điện định mức l dòng cực đại cho phép đi qua điôt trong thời gian điôt mở (I D ). -Điện áp ngợc cực đại U Ngmax là điện áp ngợc cực đại cho phép đặt vào điôt trong một thời gian dài khi điôt khoá. - Điện áp rơi định mức u 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 lu một pha hai nửa chu kỳ V 1 = V m Sint V 2 = -V m Sint Hình1.3: Mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ - Mạch chỉnh lu 3 pha một nửa chu kỳ V 1 = V m Sint V 2 = V m (Sint - 2/3) V 3 = V m (Sint - 4/3) Hình 1.4: Mạch chỉnh lu ba pha một nửa chu kỳ Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 7 - Chỉnh lu cầu V2 V1 Hình 1.5: Chỉnh lu cầu - Dùng bảo vệ tranzito Hình 1.6: Mạch bảo vệ tranzito Bảng 1.1: Điôt công suất I tb U im U Tốc độ quạt Tộc độ nớc Mã hiệu A V V m/s l/ph Liên Xô (cũ) chế tạo B- 10 B-20 B-25 B-50 B-200 BK2b-350 B-10 B- 25 B-50 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 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 8 B-200 B-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 80 ữ 300 200 ữ 1000 200 ữ 1000 50 ữ 200 1.1.2 Điôt ổn áp Điôt ổn áp là một loại điôt bán dẫn có đặc tính ổn áp, đợc dùng sản xuất chuyên dụng phục vụ các thiết bị ổn áp và mạch điện tử. Nó đợc phân biệt với các loại điôt khác có ứng dụng chỉnh lu, 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 tợng 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 tơng đơng Hình 1.7: Mạch điện tơng đơng và ký hiệu của điôt ổn áp Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 9 + Nguyên lý đánh thủng: Hiện tợng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N có thể do hai cơ chế sau đây: - Hiện tợng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện trờng nghịch đặt vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng lợng 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 tợng đánh thủng. - Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện trờng nghịch đặt vào mạnh, thì năng lợng 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 tợng 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 đợc dùng để tham khảo. - Hệ số nhiệt độ là hệ số biểu thị sự ảnh hởng 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 tơng 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 đợc 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 nh 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 có thể chế tạo các linh kiện nh điôt phát quang (đèn LED). Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 10 - 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 I đm =(10 ữ20) mA. + Nguyên lý làm việc. Tơng tự nh các loại điôt bán dẫn khác, chỉ có điều khác biệt là dới 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 đợc mầu sắc của ánh sáng chất phát quang tạo ra khi có dòng điện tác dụng vào. + Đặc điểm - u điểm: hiển thị phù hợp với thị giác, ổn định và tin cậy, tâm hiển thị khá lớn, tuổi thọ cao. - Nhợc điểm: cần nguồn công suất phù hợp để có thể phát ra ánh sáng đủ để có thể nhận biết bằng mắt thờng. 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 nh hình sau. a) b) 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 đợc 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. P N B P E C N P B N . 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 đợc hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo thành lớp. kinh tế của đất nớc chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất đợc đa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vợt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc. bảo vệ động cơ điện và các thiết bị điện ba pha nói chung ngời ta sử dụng các thiết bị bảo vệ nh: cầu chảy, áptômát, rơle nhng trong nhiều trờng hợp chúng ta cha đạt đợc nhu cầu cần thiết của