Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ................................................... 1 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...................................................... 2 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 3 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 4 PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................. 7 1. CƠ SỞ KHOA HỌC ................................................................................................ 7 2. CƠ SỞ THỰC TIỄN ................................................................................................ 7 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................... 7 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 7 5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM ............................................................................ 8 PHẦN II: NỘI DUNG ..................................................................................................... 8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN .................................................................................................................. 8 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU........................................... 8 1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều ................................................................ 8 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều ......................................... 10 1.1.3. Một số lại động cơ điện một chiều ................................................................. 10 1.1.4. Các đại lƣợng định mức ................................................................................. 11 1.1.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .................................... 11 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ......... 13 1.2.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lƣợng hệ thống điều chỉnh tốc độ ..... 13 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện ........................................ 14 1.2.3. Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều ...................................... 20 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................................... 27 2.1. TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT ............................................................. 27 2.1.1. Diode công suất .............................................................................................. 30 2.1.2. Transistor công suất BJT ............................................................................... 32 2.1.3. Transistor trƣờng MOSFET ........................................................................... 34 2.1.4. IGBT .............................................................................................................. 37 2.1.5. TIRISTOR ...................................................................................................... 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 2.1.6. TIRISTOR khóa bằng cực điều khiển GTO .................................................. 43 2.1.7. TRIAC ............................................................................................................ 46 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 47 2.2.1. Một số mạch chỉnh lƣu một pha không điều khiển ........................................ 47 2.2.2. Một số mạch chỉnh lƣu một pha có điều khiển .............................................. 57 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................................................... 64 3.1. Ý TƢỞNG THIẾT KẾ ...................................................................................... 64 3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE ................................................................. 64 3.3. CÁC THÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ..................................................................... 64 3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC ...................................................................... 65 3.5. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 68 3.5.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi .................... 68 3.5.2. Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển ........................................ 69 3.5.3. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển ......................................... 72 3.5.4. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển .............................................. 72 3.6. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN ............................................................................ 91 CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ....................................................................... 91 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 92 K.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .................................................................................. 92 K.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 92 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 93 P.4.1. LẮP MẠCH CHẠY THỬ NGHIỆM ............................................................ 93 P.4.2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ KẾT NỐI THỬ NGHIỆM .................................. 94 P.4.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VỚI TẢI ĐỘNG CƠ THEO YÊU CẦU ĐỀ TÀI . 95 P.4.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỞ RỘNG ............................................................. 97

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng yên, ngày tháng năm 2012 Giáo viên hướng dẫn

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2012

Giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp Đặc biệt là các ứng dụng của điện – điện tử vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày với lượng nhu cầu là rất lớn

Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện – điện tử phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác Đặc biệt là việc ứng dụng điện tử công suất để điều khiển động cơ điện một chiều mang lại hiệu quả kinh tế rất cao đã và đang được nhiều doanh nghiệp tin tưởng nghiên cứu đưa vào ứng dụng Đó là nhiệm vụ mà nghành điện – điện tử cần phải giải quyết

Chính vì vậy, mà nhóm chúng em đã tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều” với sự giúp đỡ của thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu

Trong quá trình thực hiện đề tài, 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 không thể tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy

cô giáo và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, đặc biệt là thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn

thành đồ án tốt nghiệp này

1 Nguyễn Văn Vũ

2 Ngô Xuân Huân

3 Nguyễn Văn Hanh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong suốt thời gian

nghiên cứu và hoàn thành đồ án

Chúng em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy cô, cán bộ thuộc Khoa điện – điện

tử Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tài

Cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm, động viên giúp đỡ chúng em về tinh thần và vật chất trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Hưng Yên, ngày 12 tháng 06 năm 2012

Nhóm sinh viên

1 Nguyễn Văn Vũ

2 Ngô Xuân Huân

3 Nguyễn Văn Hanh

MỤC LỤC

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 4

PHẦN I DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 7

1 CƠ SỞ KHOA HỌC 7

2 CƠ SỞ THỰC TIỄN 7

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 7

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

5 ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 8

PHẦN II: NỘI DUNG 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 8

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8

1.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 8

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 10

1.1.3 Một số lại động cơ điện một chiều 10

1.1.4 Các đại lượng định mức 11

1.1.5 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 13

1.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ 13

1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 14

1.2.3 Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều 20

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 27

2.1 TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT 27

2.1.1 Diode công suất 30

2.1.2 Transistor công suất BJT 32

2.1.3 Transistor trường MOSFET 34

2.1.4 IGBT 37

2.1.5 TIRISTOR 39

2.1.6 TIRISTOR khóa bằng cực điều khiển GTO 43

2.1.7 TRIAC 46

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 47

2.2.1 Một số mạch chỉnh lưu một pha không điều khiển 47

2.2.2 Một số mạch chỉnh lưu một pha có điều khiển 57

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 64

3.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 64

3.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE 64

3.3 CÁC THÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 64

3.4 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 65

3.5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 68

3.5.1 Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi 68

3.5.2 Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển 69

3.5.3 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển 72

3.5.4 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 72

3.6 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN 91

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ KHẢO SÁT 91

KẾT LUẬN 92

K.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 92

K.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 93

P.4.1 LẮP MẠCH CHẠY THỬ NGHIỆM 93

P.4.2 MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ KẾT NỐI THỬ NGHIỆM 94

P.4.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT VỚI TẢI ĐỘNG CƠ THEO YÊU CẦU ĐỀ TÀI 95 P.4.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỞ RỘNG 97

PHẦN I DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở khoa học

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ ngày nay, đã đem lại nhiều ứng dụng và thành quả to lớn phục vụ nhu cầu đời sống thiết thực của con người Đặc biệt đối với hai lĩnh vực điện – điện tử đã trở nên quen thuộc và phục vụ phần lớn nhu cầu về mọi mặt đời sống của con người Và đặc biệt là ứng dụng mạnh mẽ của điện tử công suất trong công nghệ điều khiển

2 Cơ sở thực tiễn

Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc

độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp Một số ứng dụng quan trọng của động cơ 1 chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển

Đó là nhiệm vụ mà chuyên ngành điện – điện tử cần nghiên cứu và cải tiến công nghệ Từ ý tưởng đó cùng với những nhu cầu từ thực tiễn, nhóm đồ án chúng em đã

quyết định chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều”

3 Mục đích nghiên cứu

Dựa vào những kiến thức đã học về điện tử công suất, kết hợp với các kiến thức về

kỹ thuật điện tử để nghiên cứu và đưa ra phương pháp điều khiển hiệu quả

Nhằm ôn lại những kiến thức đã học cũng như nâng cao trình độ chuyên môn để phục vụ cho công việc sau khi ra trường

Sản phẩm hoàn thành có thể làm thiết bị ứng dụng trong giảng dạy của nhà trường

4 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo các tài liệu điện tử công suất kết hợp với các thiết bị module có sẵn của nhà trường

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều

Bằng cách vận dụng các kiến thức đạt được trong quá trình học tập, tham khảo tài liệu Nhóm thực hiện tiến hành tìm hiểu, thiết kế, thi công, và thử nghiệm module trong nhiều tình huống và điều kiện khác nhau Quá trình thực nghiệm giúp nhóm thực hiện tự

hoàn thiện và bổ sung dần các kiến thức mới Đặc biệt là tìm được hướng nghiên cứu thích hợp nhất để hoàn chỉnh và tối ưu đề tài

5 Ứng dụng của sản phẩm

Sản phẩm hoàn thành ứng dụng cho giáo dục làm nhiệm vụ điều khiển động cơ điện một chiều rất là tiện ích với kiểu dáng module Ngoài ra nhóm còn thiết kế thêm một

số phần tử để có thể ứng dụng và khảo sát ở một số loại tải khác nhau

PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

 Cực từ phụ:

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn với vỏ máy nhờ những

bulong

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn và an

toàn cho người Trong máy điện vừa và nhỏ lắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ

bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao

gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chạy lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

b) Phần quay hay roto

 Lõi sắt phần ứng:

Dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

 Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm mát máy Máy điện một chiều thường chế tạo

theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt nắp trên trục máy khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ, gió đi qua vành góp, cực

từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm mát máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy

thường làm bằng thép cacbon tốt

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào cổ góp của phần ứng

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđttác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư

+ Động cơ điện kích thích song song

+ Động cơ điện kích thích nối tiếp

+ Động cơ điện kích thích hỗn hợp

1.1.4 Các đại lượng định mức

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:

- Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đưa ra ở đầu trục máy

1.1.5 Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Do đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều kích từ độc lập mà nhà trường sẵn có nên chúng em lựa chọn phương án nghiên cứu về loại động cơ điện một chiều loại kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều kích từ độc lập với nhau lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi động cơ làm việc , rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: Uư = Eư + Iư(Rư + Rf)

E

I KT

 N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

 a: Số đôi mạch nhánh song song

 n: Tốc độ quay (Vòng/phút)

Ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ là: 𝜔 = 𝑈ư

𝐾∅−𝑅ư+𝑅𝑓

𝐾∅ ∙ 𝐼ư Mặt khác mômen điện từ của động cơ:

Mđt = k.Φ.Iư → 𝐼ư =𝑀đ𝑡

𝑘∅

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì Mcơ = Mđt = M

Từ các phương trình trên ta có: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều :

𝜔 =𝑈ư𝐾∅−

𝑅ư+ 𝑅𝑓(𝐾∅)2 ∙ 𝑀 Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ thì phương trình đặc tính cơ là:

𝜔 = 𝑈ư𝐾∅−

𝑅ư(𝐾∅)2 ∙ 𝑀 Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên

Đây là sơ đồ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ:

Hình 1.3 a Đặc tính cơ điện b Đặc tính cơ

Trên đồ thị Iư = 0 hoặc M = 0, ta có:

𝜔 = 𝑈ư𝐾∅= 𝜔0

ω0: Được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

𝑅𝐼ư𝐾∅ = 𝜔0 − ∆𝜔

𝜔 = 𝑈ư𝐾∅−

𝑅𝑀(𝐾∅)2 = 𝜔0 − ∆𝜔 Trong đó: R = Rư + Rf và 𝜔0 = 𝑈ư

  

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có thể giúp ta dễ dàng chọn lựa phương phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

1 1.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ ( Dải điều chỉnh )

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin

mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức:

D = nmax/nmin Trong đó:

- nmax : Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin : Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

 Độ trơn trong điều chỉnh tốc độ

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điều chỉnh tốc

độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

 = ni+1/ni Trong đó:

ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

2 1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

1.2.2.1 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện trở phần ứng

Bằng cách thay đổi điện trở phụ nối tiếp mạch phần ứng:

𝜔 =𝑈ư

𝐾∅−𝑅ư+𝑅𝑓

𝐾∅ ∙ 𝐼ư Khi thay đổi Rf thì 𝜔0 = 𝑈

𝐾∅ không đổi

 Nguyên lý điều khiển:

a) b)

Hình 1.4: a- Sơ đồ nguyên lý điều khiển b- Đặc tính điều chỉnh

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là MC và tốc độ 1

Để điều chỉnh tốc độ ta đóng một điện trở Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng Iư giảm đột biến còn tốc độ do quán tính nên chưa kịp biến đổi (bỏ qua quán tính điện từ của mạch phần ứng) Điểm làm việc chuyển từ a đến b (hình 1.4b) Dòng điện Iư giảm xuống làm cho mô men động cơ giảm theo nên M < M C và tốc độ giảm xuống Mặt khác do tốc độ giảm nên sức điện động của phần ứng E = K cũng giảm làm cho dòng Iư lại tăng lên Kết quả mô men tăng dần đến khi M bằng Mc thì hệ trở nên xác lập lúc này 2 < 1 tương ứng với điểm làm việc a' trên đặc tính điều chỉnh Rf (giá trị 2 phụ thuộc vào mô men cản

và điện trở phụ)

 Nhận xét:

- Phương pháp này chỉ tạo ra được những tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ Đây là phương pháp điều khiển không triệt để Dải điều chỉnh phụ thuộc vào độ lớn của mô men tải, độ chính xác duy trì tốc độ không cao, độ tinh điều chỉnh kém

- Điều chỉnh càng sâu (tốc độ càng thấp) thì sai số tốc độ càng lớn và mô men ngắn mạch càng nhỏ, nghĩa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải càng kém dẫn đến hạn chế dải điều chỉnh, chỉ cho phép điều chỉnh dưới tốc độ định mức

- Điện trở điều chỉnh nằm trong mạch động lực gây tổn thất lớn, điều chỉnh càng sâu thì điện trở càng phải lớn nên tổn thất năng lượng càng nhiều

- Điện trở phụ Rf càng lớn đặc tính càng dốc hay độ cứng thấp do đó sai số tốc độ lớn Đặc tính điều chỉnh có dạng như hình 1.4b

1.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi từ thông.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ 𝑀 = 𝐾∅𝐼ư và sức điện động quay động cơ 𝐸ư = K ∅ ω

Hình 1.5 Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi từ thông

Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là

hệ phi tuyến

ik=

dt

d r

r

e

k k b

Rk- Điện trở dây quấn kích thích

Rb – Điện trở của nguồn điện áp kích thích

k- Số vòng dây của cuộn dây quấn kích thích

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

ik =

k b

k

r r

e

   f i k Xét trường hợp Φx< Φđm Khi Φ giảm dần đến ω0 tăng và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần Việc tăng tốc độ khi Φ giảm chỉ dung trong giới hạn nhất định, khi phụ tải lớn hơn giới hạn phụ tải nào đó thì việc giảm dần đến giảm tốc độ

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị mức,

do đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cơ có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản( đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ) 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 để tăng tốc độ quay của động

cơ thì đồng thời điều khiển chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi

 Ưu, nhược điểm

- Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp này ta thu được tốc độ lớn hơn

ta thu được họ đặc tính cơ dốc hơn đặc tính cơ định mức, do đó độ cứng đặc tính động cơ giảm từ thông

- Chỉ làm việc trong phạm vi tải nhỏ chứ không đúng cho tải lớn vì M = k.Φ.Iưgiảm từ thông mômen giảm rất nhiều

- Khi điều chỉnh bằng giảm từ thông rất dễ dẫn tới mất từ thông làm cho dòng điện tăng lên rất nhanh làm hỏng động cơ

 Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển:

- Sai số tốc độ lớn: Đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên

- Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong

dải điều chỉnh D = 3:1

- Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên

ta có thể điều khiển liên tục với  1

- Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = ( 1÷10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp)

1.2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp

phần ứng

 Nguyên lý điều khiển

Dùng một bộ nguồn biến đổi cấp điện cho phần ứng, bộ nguồn này có chức năng biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển

𝜔 = 𝑈

𝐾𝛷 − 𝑅(𝐾𝛷)2𝑀 Nếu thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng 0 sẽ thay đổi, điện áp càng giảm thì tốc độ động cơ càng giảm, dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch giảm, ta sẽ có họ đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 1.6b Các đặc tính điều chỉnh song song với đặc tính cơ tự nhiên độ cứng không đổi do từ thông không đổi

(a) (b)

Hình 1.6: a- Sơ đồ nguyên lý b- Đặc tính điều chỉnh

Phương trình cân bằng điện áp nhờ chế độ xác lập:

K

R R K

E

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng cũng không đổi, còn tốc

độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi

đặc tính cơ bản được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới

hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mứcthì

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mô

men ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM Mdm

Trong đó: KM – Là hệ số quá tải của mô men

Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên theo độ cứng đặc tính cơ ta có:

1

1

0 max

M

dm

K

M M

K

M D

Có thể tính sơ bộ: 0max..M dm 10

Vậy, với tải có tính mômen không đổi thì phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá

10 Do đó muốn nâng cao dải điều chỉnh cần phải có cấu trúc theo hệ kín

Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnhlà như nhau, do đó sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh

Trong suốt quá trình thay đổi điện áp phàn ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, do đó momen cho phép của hệ sẽ không đổi: Mccp = Kdm.Iđm = Mđm

 Ưu điểm:

- Độ điều chỉnh trơn, mịn, dải điều chỉnh rộng Có thể giảm tốc độ xuống thấp

mà đặc tính cơ vẫn cứng dẫn đến độ ổn định tốc độ cao

- Mômen mở máy giảm không nhiều

- Khi giảm tốc độ sẽ sảy ra hiện tượng hãm tái sinh ( Trả năng lượng động cơ về

nguồn)

- Không có tổn thất trong mạch phần ứng

- Phương pháp này có thể áp dụng cho non tải và đầy tải

 Nhược điểm:

- Chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản

- Muốn thay đổi phải có nguồn điện áp phần ứng

 Đánh giá chỉ tiêu điều khiển:

- Sai số tốc độ lớn( Sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên)

- Tính liên tục: Điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi Các bộ

biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục

- Dải điều chỉnh có thể đạt D = 10:1

- Phạm vi điều chỉnh rộng, khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ, ta được một

họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Khi thay đổi điện áp thỡ

Mnm, Inm của động cơ giảm, tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Việc thay đổi điện áp phần ứng động cơ có thể thực hiện dễ dàng băng các mạch chỉnh lưu

- 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 điều khiển nhỏ

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn tới mômen ngắn

mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn giải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh

xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

Việc thay đổi điện áp phần ứng động cơ có thể thực hiện dễ dàng bằng các mạch chỉnh lưu Do vậy ta chọn phương pháp điều khiển bằng điện áp phần ứng Để điều khiển bằng điện áp phải dùng một bộ nguồn điều khiển

1.2.3 Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng có phần bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho phần ứng động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại biến đổi chính:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy

điện khuếch đại ( KĐM )

- Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ ( KĐT )

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristor ( CLT )

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristor hoặc tranzitor ( BBĐXA )

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có hệ truyền động như:

- Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F – Đ )

- Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ ( MĐKĐ – Đ )

- Hệ truyền động máy điện khuếch đại từ - động cơ ( KĐT – Đ )

- Hệ chỉnh lưu tiristor – động cơ ( T – Đ )

- Hệ truyền động xung áp - động cơ ( XA –Đ )

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín ( Ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động ) và loại điều khiển mạch hở ( hệ truyền động điều khiển “ hở” ) Hệ điều chỉnh tự động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộc vào phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

Sử dụng nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng, sẽ có hai phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều với hai hệ thống truyền động tương ứng:

1.2.3.1 Hệ thống truyền động máy phát – động cơ điện một chiều ( F – D )

Hệ thống F – D là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một

chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

 Nguyên lý điều khiển:

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Theo sơ đồ thì động cơ Đ1 biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy phát F biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ Đ, động cơ một chiều

chuyển thành cơ năng trên trục làm quay máy sản xuất

Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = kMF.Φ.ωMF

Khi máy phát F được quay với tốc độ ωMF cố định Sức điện động của máy phát EMF phụ thuộc vào dòng kích từ IKmf theo luật đường cong từ hoá:

I k

k

D D

D MF kMF

D D

Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta đều chỉnh được tốc độ

D D

MF MF

D D D F

R R

k

-

Do đó các đường đặc tính cơ là một họ đường thẳng song song

Trong mạch lực F – Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc Hệ F – Đ có đặc tính cơ điền đầy

cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ

 Đặc điểm của hệ F – Đ:

+ Ưu điểm:

- Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn

- Phạm vi điều chỉnh tăng ( cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín)

- Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh

- Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ

- Hệ điều chỉnh đơn giản

+ Nhược điểm:

- Dùng máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gấy ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu

- Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích

- Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75% )

- Điều chỉnh sâu bị hạn chế

- Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F – Đ bằng hệ CL – Đ

1.2.3.2 Hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều

Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện áp một

chiều Khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ điện một chiều Khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ thống CL – Đ

Khác với máy điện một chiều,bộ biến đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào

Hình 1.9 Hệ thống CL – Đ

Hiện nay cácTiristor được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh

a) Nguyên lý điều khiển

Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành điện một chiều cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều

Khi điều khiển góc mở của các Tiristor ( tức là Tiristor chỉ được mở khi điện áp anod dương hơn catod ) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

b) Các chế độ làm việc

+ Chế độ dòng điện liên tục

Khi mômen tải tăng Mt tăng thì dòng điện Iđc tăng dẫn đến năng lượng điện

từ tăng Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van

kế tiếp

Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu: UCL = Ud0.cosα

+ Chế độ dòng điện gián đoạn:

Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có khả năng tích lũy và xả năng lượng Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ Vì vậy,khi điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anod dương hơn catod

không đủ để duy trì tính chất liên tục của dòng điện Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn

+ Chế độ liên tục:

Khi chuyển từ trạng thái dòng điện liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn,

hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục

k

o o

m

cotexpsin

sin.cos

liên tục và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp các đường trạng thái biên {Mblt; blt} khi thay đổi góc  = ( 0 -  ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ

 Đặc điểm của hệ CL – Đ:

* Ưu điểm:

- Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn

- Có khả năng điều chỉnh trơn ( 𝜸~𝟏) với phạm vi điều chỉnh rộng (𝑫~𝟏𝟎𝟐÷

- Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất

1.2.3.3 Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ điện một chiều

Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có chu kì nguồn điện một chiều

a) Nguyên lý điều khiển

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hệ XA – Đ

Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ động cơ và tích lũy năng lượng điện từ ch điện cảm trong mạch Thời gian khóa cắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ phóng qua diode để duy trì dòng điện phần ứng

b) Các chế độ làm việc

+ Chế độ dòng điện liên tục:

Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì năng lượng điện từ đủ duy trì dòng điện cho đén khi bắt đầu chu kì mới Khi đó dòng phần ứng có dang liên tục

Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng độ băm áp cung cấp cho phần ứng động

+ Chế độ dòng điện gián đoạn:

Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián đoạn

Hình 1.16 Các đường đặc tính của hệ

Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể giảm đến

0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo Khi đó ta có dòng biên liên tục

Đặc tính cơ là các đường cong Cũng như hệ CL – Đ, ở chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm

Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư thứ nhất và có dạng nét đứt như trên hình vẽ

 Đặc điểm:

* Ưu điểm:

- Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắn

- Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên

* Nhược điểm:

- Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ

- Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính kém

ổn định và tổn thất năng lượng nhiều

 Kết luận:

Trong các hệ truyền động cho động cơ một chiều như trên nhóm chúng

em đã chọn phương án sử dụng bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (hệ T – Đ)

để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bởi:

- Mạch nhỏ, không cồng kềnh, các kiến thức cần thiết sát với chương trình được đào tạo tại nhà trường

- Độ tin cậy của mạch khá cao, có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

2.1 Tổng quan về van công suất

Là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong các bộ biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện Điện tử công suất (điện tử dòng điện mạnh) với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng - cắt) dòng điện lớn, điện áp cao, làm thay đổi độ lớn, tần số, dạng sóng dòng công suất Công suất đầu ra được biến đổi về độ lớn, tần số, dạng sóng so với công suất đầu vào Tín hiệu đóng vai trò điều khiển dòng công suất

Điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại, làm thay đổi tận gốc rễ kỹ thuật truyền động điện, trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện

Các phần tử bán dẫn công suất điển hình được dùng trong các bộ biến đổi công suất : Diode công suất, tiristor công suất SCR (Silicon Controlled Rectifier), tiristor khoá

bằng cực điều khiển GTO (Gate Turn off Tiristor), transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor trường công suất FET (Field Effect Transistor), transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT (Mosfet Controlled Tiristor), linh kiện cảm ứng tĩnh điện SID (Static Induction Device) Các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :

- Diode công suất : có dòng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV , thời gian chuyển mạch nhanh nhất tới 20ns Chủ yếu được dùng trong chỉnh lưu, biến đổi DC-DC

- Transistor lưỡng cực công suất BJT: dẫn dòng một chiều khi có dòng bazơ thích hợp Dòng điện định mức 0,5-500A và lớn hơn, điện áp định mức tới 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100µs Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, phối hợp với diode trong nghịch lưu BJT đang được thay thế bởi FET và IGBT

- Transistor trường công suất FET: dẫn dòng điện máng (Drain) khi có điện áp cổng thích hợp Dòng điện định mức 1 – 100A, điện áp định mức 30-1000V, thời gian chuyển mạch rất nhanh 50-200ns Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC và nghịch lưu

- Transistor lưỡng cực cổng cách điện IGBT: là FET đặc biệt có chức năng của BJT và điều khiển cổng bằng FET Nhờ vậy IGBT nhanh hơn và dễ sử dụng hơn BJT khi cùng công suất Dòng điện định mức 10-600A, điện áp định mức 600-1700V Được sử dụng chủ yếu trong nghịch lưu công suất từ 1-100KW

- Tiristor (Thyristor): dẫn điện tương tự như diode sau khi nhận được xung mồi thích hợp và trở về trạng thái bị khoá khi dòng điện bằng không Sau khi đã dẫn, cực điều khiển không còn tác dụng nữa Dòng điện định mức 10-5000A, điện áp định mức 200V-6kV, thời gian chuyển mạch 1-200µs Là linh kiện điện tử công suất chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của điện tử công suất

- Tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO: là tiristor đặc biệt có thể khóa được bằng cách đặt xung âm vào cực điều khiển Thay thế cho các BJT trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn Các đại lượng định mức tương tự như tiristor và được ứng dụng trong các bộ nghịch lưu trên 100KW

- TRIAC: là linh kiện phối hợp hai tiristor nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển Dòng điện định mức 2-50A, điện áp định mức 200-800V Ứng dụng chủ yếu trong các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, điều khiển đèn, thiết bị điện gia dụng

- Tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT: là tiristor đặc biệt có chức năng của GTO nhưng điều khiển bằng FET vì thế nhanh và dễ sử dụng hơn GTO

- Linh kiện cảm ứng tĩnh SID: là linh kiện được chuyển mạch bằng cách điều khiển hàng rào thế ở cổng Công suất 100KW ở tần số 100kHZ Ưu điểm chủ yếu là có tốc

độ chuyển mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận rất nhỏ

Tính năng của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu cho trong bảng sau:

Linh kiện Năm xuất

hiện

Uđm(kV)

Iđm(kA)

f (kHZ)

P (MW)

Điện áp rơi (V)

Bảng 2.1 Bảng thông tin về một số loại van công suất

Các bộ biến đổi điện tử công suất gồm các linh kiện điện tử công suất nằm trong mạch động lực và các mạch điều khiển nhằm biến đổi dòng điện, điện áp và tần số dòng công suất gồm có :

- Bộ chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều AC-DC

- Bộ nghịch lưu: Biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều DC-AC

- Bộ băm: Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều DC-DC

- Bộ điều áp xoay chiều: Biến đổi điện áp xoay chiều thành địên áp xoay chiều tần

số không đổi AC-AC

- Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều về tần số và điện áp AC-AC

 Ưu điểm của các phần tử bán dẫn công suất:

 Đóng cắt dòng điện không gây ra tia lửa điện

 Không bị mài mòn theo thời gian

 Được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ

 Hiệu suất biến đổi điện năng cao

 Cung cấp cho phụ tải đƣợc nguồn năng lƣợng theo yêu cầu

 Đáp ứng nhanh

2.1.1 Diode công suất

Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua diode

Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm2

Nhiệt độ mặt ghép cho phép: 2000C

Để diode làm việc và chịu dòng cao phải có

Khi U > 0,1V Dòng ngƣợc không tăng

Tới giá trị giới hạn Khi U U BR Dòng điện tăng đột biến phá huỷ diode

 Giải thích:

Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyển của các điện tích thiểu số làm nên Ở thời điểm đầu: Khi U I Đến giới hạn Ut toàn bộ các điện tích thiểu số có mặt trong diode đều di chuyển để tạo dòng điện ngược nên dòng điện không tăng (tăng rất chậm)

Khi U U BR các điện tích di chuyển trong điện trường và được tích luỹ năng

sẽ được gia tốc và bắn phá các nguyên tử khác Do vậy một phản ứng dây chuyền xảy ra làm dòng ngược tăng nhanh Dòng điện này sẽ gây phá huỷ diode

Để bảo vệ diode trong thực tế người ta cho diode làm việc với điện áp 0,8)UBR

U≤(0,7-Biểu thức giải thích đặc tính V-A:

 Các thông số cơ bản của một diode:

- Giá trị trung bình của dòng điện cho phép qua diode, ID (IF) Đây là dòng trung bình cho phép chảy qua diode với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực tế dòng điện trung bình qua diode phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường Công suất phát nhiệt sẽ bằng tích của dòng điện chạy qua diode với điện áp rơi trên

nó Vì vậy dòng trung bình là một tham số quan trọng để chọn diode

- Dòng điện thuận cực đại không lặp lại, IFSM

- Điện áp ngược lớn nhất mà diode bị đánh thủng, Ungmax (UBR) Là giá trị điện áp lớn nhất cho phép đặt lên diode Khi sử dụng cần đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào điện áp ngược trên diode không lớn hơn Ungmax Trong thực tế phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải chọn diode có thông số

Ungmax ít nhất bằng 1,2 đến 2 lần giá trị biên độ điện áp lớn nhất đặt trên diode tính toán được trên sơ đồ

- Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận UF

- Nhiệt độ mặt ghép Tj

2.1.2 TRANSISTOR CÔNG SUẤT BJT( Bipolar Junction Tranzitor)

Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên từ 2 tiếp giáp p-n.Tranzito có 3 cực như hình vẽ

Tranzito công suất thường là loại n-p-n

vùng p, các điện tích trung gian không trung hoà hết  vùng bazơ có điện trở nhỏ  có dòng điện chạy qua Do tốc độ trung hoà điện tích không kịp, tranzitor không còn khả năng khống chế dòng điện

Hình 2.4 Đặc tính V – A

 Quá trình quá độ của transistor

P – tổn hao công suất sinh nhiệt

Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép Tại lớp tiếp giáp khoảng 2000C với bán dẫn Si

UCE - điện áp CE; UBE - điện áp BE;

2.1.3 TRANSISTOR TRƯỜNG MOSFET(Metal Oxide-Semiconductor

Field-Effect Tranzitor)

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ Hình 1.12 a, b thể hiện cấu trúc và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n Trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn Dioxit Silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực nguồn (S) và cực máng (D) Cực máng đón các hạt mang điện Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử ( electron , do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực nguồn Trên ký hiệu, phần chấm gạch giữa D và S thể hiện trong điều kiện chưa có tín hiệu điều khiển thì không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S

Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n

Hình 2.6: a Cấu trúc MOSFET kênh n b Ký hiệu MOSFET kênh n

Hình 2.7 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ làm việc bình thường uDS > 0, giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng không uGS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ không hoàn toàn xuất hiện Giữa cực nguồn và cực máng sẽ là tiếp giáp p – n- phân cực ngược Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này ( hình 2.7a)

Nếu điện áp điều khiển âm uGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ p , do đó dòng điện giữa cực nguồn và cực máng sẽ không xuất hiện Khi điện áp điều khiển dương uGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện

tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành ( hình 2.7b ) Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, TIRISTOR là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản Dòng điện giữa cực máng và cực nguồn bây giờ phụ thuộc vào điện áp uDS

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET ( hình 2.7c ), có thể thấy rằng giữa cực máng

và cực nguồn tồn tại một tiếp giáp p – n

, tương đương với một DIODE ngược nối giữa D

và S Trong các sơ đồ của các bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các DIODE mắc song song với các van bán dẫn Như vậy, ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một DIODE nội tại

Hình 2.7 Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET kênh n

 Đặc tính V-A

Khi UGS < 3V MOSFET ở trạng thái khóa

Khi UGS cỡ 5-7V MOSFET ở trạng thái dẫn

Để hoạt động ở chế độ đóng cắt MOSFET đƣợc mở bằng điện áp cỡ 12-15V

Hình 2.8 Đặc tính tĩnh của MOSFE

 Quá trình chuyển trạng thái

Hình 2.9 Quá trình chuyển trạng thái

2.1.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hình 2.10 Cấu tạo nguyên lý IGBT

a Cấu trúc b Cấu trúc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET c Sơ đồ tương đương d Ký hiệu

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng lớn của BJT Về mặt điều khiển, IGBT gần giống nhƣ MOSFET, nghĩa là đƣợc điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp

p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ ( tương tự như cực nguồn ) với colectơ ( tương tự như cực máng ), không phải là n-n như ở MOSFET ( hình 1.19 b)

Có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET ( hình 2.10 b,c)

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở transistor thường, tạo nên dòng colectơ

 Quá trình chuyển trạng thái:

Hình 2.11 Đặc tính động

 Các thông số cơ bản của IGBT

UCES - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch

UGES - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch

IC- Dòng điện một chiều cực đại

ICmax - Dòng điện đỉnh của colector;

Pm - Công suất tổn hao cực đại;

TCP - Nhiệt độ cho phép;

IL - Dòng điện tải cảm cực đại;

Ir - Dòng điện rò

UGEng - Điện áp ngưỡng GE

2.1.5 TIRISTOR

 Cấu tạo, nguyên lý làm việc:

Tiristor ( thyristor) do nhóm kỹ sư của hãng Bell Telephone phát minh và sáng chế vào năm1956 Cho đến nay người ta đã chế tạo được các tiristor làm việc với điện áp hàng KV và chịu dòng tới KA

Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành

 Tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện trở nội của tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor sẽ do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải tránh) do những nguyên nhân sau:

- Không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uthmax

- Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

 Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt

 Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển (UGK>0) Đây

là phương pháp điều khiển tiristor được áp dụng trong thực tế Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp Khi đó nếu dòng qua tiristor lớn hơn một giá trị Idt thì tiristor sẽ tiếp tục ở trạng thái dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Có

nghĩa là có thể điều khiển mở tiristor bằng các xung dòng có độ rộng nhất định,

do vậy công suất mạch điều khiển thực tế là rất nhỏ so với công suất mạch lực

 Giải thích:

Khi cấp dòng điện vào cực điều khiển, các điện tử từ N chảy sang P Tại đây một phần chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig theo mạch G-J3-K-G Một phần điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp tại mặt ghép J2 chúng lao vào vùng chuyển tiếp này Được gia tốc bởi điện trường, động năng tăng lên, trong quá trình chuyển động chúng va quệt và bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả là phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, mặt ghép

J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đó quanh cực G rồi lan ra toàn mặt ghép Dòng điện IAK tăng mạnh các điện tử chuyển động theo chiều N2 - P2 –

N1 – P1 sẽ liên tiếp bắn phá mặt ghép J2 làm cho mặt ghép này không thể khôi phục tính chất cách điện, do vậy thời điểm này nếu Ig = 0 tiristor vẫn tiếp tục dẫn dòng Nếu dòng điện qua tiristor giảm xuống, thì số lượng điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 giảm xuống Khi dòng nhỏ hơn dòng duy trì thì số điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 không đủ để duy trì tính dẫn điện của mặt ghép J2 kết quả là mặt ghép sẽ khôi phục dần tính chất cách điện Tiristor trở về trạng thái khoá

 Khoá tiristor

Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig là không cần thiết,

để khoá tiristor có 2 cách:

- Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt

- Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt một điện áp ngược lên tiristor, mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược, J2được phân cực thuận Những điện tử tại thời điểm trước khi đặt điện áp ngược đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều chuyển động tạo nên dòng điện ngược chảy từ K

về A

Lúc đầu dòng điện ngược lớn, sau đó mặt ghép J1 và J3 trở nên cách điện, dòng điện ngược giảm dần Dòng điện ngược di chuyển các điện tích ra khỏi mặt ghép J2 và nạp điện cho hai tụ điện tương đương của hai mặt ghép J1 và J3