Nghiên cứu và ứng dụng Điện Tử Công Suất vào trong điều chỉnh tốc độ động cơ

Khi một đám cháy xảy ra, ở những vùng cháy thường có những dấu hiệu sau: Lửa, khói, vật liệu chỗ cháy bị phá hủy. Nhiệt độ vùng cháy tăng lên cao. Không khí bị Oxy hóa mạnh. Có mùi cháy, mùi khét. Để đề phòng cháy chúng ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến làm các thiết bị báo cháy. Kịp thời khống chế đám cháy ở giai đoạn đầu. Thiết bị báo cháy điện tử giúp chúng ta liên tục theo dõi để hạn chế các vụ cháy tai hại, tăng cường độ an toàn, bình yên cho mọi người

Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I DIODE CÔNG SUẤT: I Cấu tạo: P + + N A n P N o d t -  K Hình 1 ( a ( a a) Cấu tạo diode ) b t b) Ký hiệu diode ) o Diode công suất linh kiện bán dẫn có hai cực, t q cấu tạo lớp bán dẫn N lớp bán dẫn P ghép lại Silic nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Silic có điện tử thuộc lớp cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp có điện tử điện tử nguyên tố tham gia liên kết với điện tử tự Silic xuất điện tử tự Trong cấu trúc tinh thể, điện tử tự làm tăng tính dẫn điện Do điện tử có điện tích âm nên chất gọi chất bán dẫn loại N (negative), có nghóa âm Nếu thêm vào Silic nguyên tố thuộc nhóm III mà có nguyên tử thuộc nhóm xuất lổ trống cấu trúc tinh thể Lỗ trống nhận điện tử, tạo nên điện tích dương làm tăng tính dẫn điện Chất gọi chất bán dẫn loại P (positive), có nghóa dương Trong chất bán dẫn loại N điện tử hạt mang điện đa số, lỗ trống thiểu số Với chất bán dẫn loại P ngược lại Ở hai lớp bán dẫn mặt ghép PN Tại xảy tượng khuếch tán Các lỗ trống bán dẫn loại P tràn sang N nơi có lỗ trống Các điện tử bán dẫn loại N chạy sang P nơi có điện tử Kết mặt tiếp giáp phía P nghèo diện tích dương giàu lên điện tích âm Còn phía bán dẫn loại N ngược lại nên gọi vùng điện tích không gian dương Trong vùng chuyển tiếp (-) hình thành điện trường nội Ký hiệu E i có chiều từ N sang P hay gọi barie điện (khoảng từ 0,6V đến 0,7V vật liệu Silic) Điện trường ngăn cản di chuyển điện tích đa số làm dễ dàng cho di chuyển điện tích thiểu số (điện tử vùng P lổ trống vùng N) Sự di chuyển điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò I Nguyên lý hoạt động: Ei P N U + -( a ) Ei P N U (b) + Hình a) Sự phân cực thuận diode b) Sự phân cực ngược diode Khi đặt diode công suất điện áp nguồn U có cực tính hình vẽ, chiều điện trường ngược chiều với điện trường nội Ei Thông thường U > Ei có dòng điện chạy mạch, tạo nên điện áp rơi diode khoảng 0,7V dòng điện đònh mức Vậy phân cực thuận hạ thấp barie điện Ta nói mặt ghép PN phân cực thuận Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường tác động chiều với điện trường nội Ei Điện trường tổng hợp cản trở di chuyển điện tích đa số Các điện tử vùng N di chuyển thẳng cực dương nguồn U làm cho điện vùng N vốn cao lại cao so với vùng P Vì vùng chuyển tiếp lại rộng ra, dòng điện chạy qua mặt ghép PN Ta nói mặt ghép PN bò phân cực ngược Nếu tiếp tục tăng U, điện tích gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm barie điện bò đánh thủng Đặc tính volt-ampe diode công suất biểu diễn gần biểu thức sau: I = I S [ exp (eU/kT) – 1] ( 1 ) Trong đó: - IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA - e = 1,59.10- 19 Coulomb - k = 1,38.10- 23 : Hằng số Bolzmann - T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K) - t0 : Nhiệt độ môi trường (0 C) - U : Điện áp đặt diode (V) I U UZ U  Hình Đặc tính volt-ampe diode Đặc tính volt-ampe diode gồm có hai nhánh: Nhánh thuận Nhánh ngược Khi diode phân cực thuận điện áp U barie điện Ei giảm xuống gần Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ U lớn khoảng 0,1V I tăng cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ Tương tự, phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược tăng từ từ Khi U lớn khoảng 0,1V dòng điện ngược dừng lại giá trò vài chục mA ký hiệu IS Dòng IS di chuyển điện tích thiểu số tạo nên Nếu tiếp tục tăng U điện tích thiểu số di chuyển dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động chúng tăng lên Khi U  = UZ thì va chạm điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao bẻ gảy liên kết nguyên tử Silic vùng chuyển tiếp xuất điện tử tự Rồi điện tích tự chòu tăng tốc điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá nguyên tử Silic Kết tạo phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ạt phá hỏng diode Do đó, để bảo vệ diode người ta cho chúng hoạt động với giá trò điện áp: U = (0,7  0,8)UZ Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu vùng chuyển tiếp Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép 2000C Vượt nhiệt độ diode bò phá hỏng Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước dầu biến chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện Các thông số kỹ thuật để chọn diode làø: - Dòng điện đònh mức Iđm (A) - Điện áp ngược cực đại Ungmax ( V ) - Điện áp rơi diode U ( V ) I Ứng dụng: Ứng dụng chủ yếu diode công suất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều cung cấp cho tải Các chỉnh lưu diode chia thành hai nhóm chính: - Chỉnh lưu bán kỳ hay gọi chỉnh lưu nửa sóng - Chỉnh lưu toàn kỳ hay gọi chỉnh lưu toàn sóng II TRANSISTOR CÔNG SUẤT: II Cấu tạo: Transistor linh kiện bán dẫn gồm lớp: PNP hay NPN C P N P B C B E E ( b ( a ) Hình) Transistor PNP: a) Cấu tạo b) Ký hiệu C N B P N C B E E (a) (b) Hình Transistor NPN: a) Cấu tạo b) Ký hiệu Về mặt vật lý, transistor gồm phần: phần phát, phần phần thu Vùng (B) mỏng Transistor công suất có cấu trúc ký hiệu sau: B C IC C UCE IB UBE E E  B IE  ( b suất Hình( 1.a6 Transistor công ) a) Cấu trúc ) b) Ký hiệu II Nguyên lý hoạt ñoäng: E Emit er N C pP p       N   E Colect or C  IE - + Bas e IE  - IC + Rồ phân UEE Hình Sơ cực transistor UCC Điện U phân cực thuận mối nối B - E (PN) REE C nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết điện tử (electron) sau qua vùng B qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1 electron giữ lại vùng B Các lỗ trống vùng di chuyển vào vùng phát Mối nối B - E chế độ phân cực thuận diode, có điện kháng nhỏ điện áp rơi nhỏ mối nối B - C phân cực ngược điện áp U CC Bản chất mối nối B - C giống diode phân cực ngược điện kháng mối nối B - C lớn Dòng điện đo vùng phát gọi dòng phát IE Dòng điện đo mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC đơn vò thời gian dòng cực thu IC) Dòng IC gồm hai thành phần: - Thành phần thứ (thành phần chính) tỉ lệ hạt electron cực phát tới cực thu Tỉ lệ phụ thuộc vào cấu trúc transistor số tính trước transistor riêng biệt Hằng số đònh nghóa  Vậy thành phần dòng IC IE Thông thường  = 0,9  0,999 - Thành phần thứ hai dòng qua mối nối B - C chế độ phân cực ngược lại IE = Dòng gọi dòng ICBO – nhỏ - Vậy dòng qua cực thu: IC = IE + ICBO * Các thông số transistor công suất: - IC: Dòng colectơ mà transistor chòu - UCEsat: Điện áp UCE transistor dẫn bão hòa - UCEO: Điện áp UCE mạch badơ để hở, IB = - UCEX: Điện áp UCE badơ bò khóa điện áp âm, IB < - ton: Thời gian cần thiết để U CE từ giá trò điện áp nguồn U giảm xuống UCESat  - tf: Thời gian cần thiết để i C từ giá trò IC giảm xuống - tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trò UCESat tăng đến giá trò điện áp nguồn U - P: Công suất tiêu tán bên transistor Công suất tiêu tán bên transistor tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC - Khi transistor trạng thái mở: IB = 0, IC = neân P = - Khi transistor trạng thái đóng: UCE = UCESat Trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc chế độ khóa: IB = 0, IC = 0, transistor coi hở mạch Nhưng với dòng điện gốc trạng thái có giá trò bão hòa, transistor trở trạng thái đóng hoàn toàn Transistor linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc dòng điện góp Ở trạng thái bão hòa để trì khả điều khiển để tránh điện tích cực gốc lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng Ở chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm qui luật dòng điện góp để tránh tượng chọc thủng thứ cấp IC a IC IC b ( ) a UCE UCE  ( ) b Hình Trạng thái dẫn trạng thái bò khóa a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I B lớn, IC tải giới hạn b) Trạng thái hở mạch IB = Các tổn hao chuyển mạch transistor lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp cực dòng điện transistor lớn Tích dòng điện điện áp với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao lượng lần chuyển mạch Công suất tổn hao xác chuyển mạch hàm số thông số mạch phụ tải dạng biến thiên dòng điện gốc * Đặc tính tónh transistor: UCE = f (IC) Để cho transistor đóng, điện áp sụt bên có giá trò nhỏ, người ta phải cho làm việc chế độ bão hòa, tức I B phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏ Ở chế độ bão hòa, điện áp sụt transistor công suất 0,5 đến 1V tiristor khoảng 1,5V UCE Vù ng tuye gần án Vùng bão hòa tính Vùng I bão hòa C Hình Đặc tính tónh transistor: UCE II Ứng transistor công suất: = f ( ICdụng ) Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện chiều có cường độ lớn Tuy nhiên thực tế transistor công suất thường cho làm việc chế độ khóa IB = 0, IC = 0: transistor coi hở mạch II Transistor Mos công suất: Transistor trường FET (Field – Effect Transistor) chế tạo theo công nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng chuyển mạch điện tử có công suất lớn Khác với transistor lưỡng cực điều khiển điều khiển Điệ dòng điện, transistor Mos  = 9V n điện áp Transistor =Mos gồm cực chính: cực Mán Dòn trở nguồn (source) cửa (gate) máng (drain), Dòng điện 7,5V g hằ g = máng - nguồn điều khiển điện áp cửa – điệnng Cử 6V = nguồn mánsố  4,5V = 3V g Điện áp máng – nguồn ( a a   Nguồ n (b) Hình 10 Transistor Mos công suất: a) Họ đặc tính b) Ký hiệu thông thường kênh N Transistor Mos loại dụng cụ chuyển mạch nhanh Với điện áp 100V tổn hao dẫn chúng lớn transistor lưỡng cực tiristor, tổn hao chuyển mạch nhỏ nhiều Hệ số nhiệt điện trở transistor Mos dương Dòng điện điện áp cho phép transistor Mos nhỏ transistor lưỡng cực tiristor III TIRISTOR: III Cấu tạo: Tiristor linh kiện gồm lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt cực điều khiển A A P1 N1 G P2 N2 J1 J2 J3 G K Hình 11( a ) b ) tiristor a) Cấu(tạo b) Ký hiệu tiristor Trong đó: - A: anốt - K: katốt - G: cực điều khiển - J1, J2, J3: mặt ghép K Tiristor gồm đóa Silic từ đơn thể loại N, lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển dây nhôm, lớp chuyển tiếp tạo nên kỹ thuật bay Gali Lớp tiếp xúc anốt katốt đóa môlipđen hay tungsen có hệ số nóng chảy gần với Gali Cấu tạo dạng đóa kim loại để dễ dàng tản nhiệt III Nguyên lý hoạt động: Đặt tiristor điện áp chiều, anốt nối vào cực dương, katốt nối vào cực âm nguồn điện áp, J 1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt mặt ghép J Điện trường nội Ei J2 có chiều từ N1 hướng P2 Điện trường tác động chiều với E i vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng dòng điện chạy qua tiristor bò đặt điện áp I UZ IH Uch U Hình 12 Đặc tính volt-ampe tiristor * Mở tiristor: Cho xung điện áp dương Ug tác động vào cực G ( dương so với K ), điện tử từ N sang P2 Đến đây, số điện tử chảy vào cực G hình thành dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G - J - K - G phần lớn điện tử chòu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động lớn bẻ gảy liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện tử tự Số điện tử giải phóng tham gia bắn phá nguyên tử Silic vùng Kết phản ứng dây chuyền làm xuất nhiều điện tử chạy vào N1 qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng dẫn điện ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, điểm xung quanh cực G phát triển toàn mặt ghép Điện trở thuận tiristor khoảng 100K trạng thái khóa, trở thành 0,01 tiristor mở cho dòng chạy qua Tiristor khóa + UAK > 1V Ig > Igst tiristor mở Trong Igst dòng điều khiển tra sổ tay tra cứu tiristor ton: Thời gian mở thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy tiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển Thời gian mở tiristor kéo dài khoảng 10s * Khóa tiristor: Có cách: - Làm giảm dòng điện làm việc I xuống giá trò dòng trì IH ( Holding Current ) - Đặt điện áp ngược lên tiristor Khi đặt điện áp ngược lên tiristor: UAK < 0, J1 J3 bò phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt anốt, cực âm nguồn điện Tiristor mở + UAK <  tiristor khóa Thời gian khóa toff: Thời gian từ bắt đầu xuất dòng điện ngược ( t0 ) đến dòng điện ngược ( t2 ), toff kéo dài khoảng vài chục s Nhận xét: Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, dễ vận hành bảo trì Có thời gian đảo chiều nhanh phương pháp đảo chiều dòng kích từ Khuyết điểm: Phải dùng tiếp điểm mạch lực để điều chỉnh đảo chiều I c Phương pháp đảo chiều dòng phần ứng nhờ chỉnh lưu kép: * Sơ đồ nguyên lý: Phương pháp sử dụng chỉnh lưu đảo chiều để thay đổi cực tính điện áp đặt phần ứng động Phương pháp phức tạp tránh nhược điểm hai phương pháp vừa trình bày Sơ đồ nguyên lý hệ thống đảo chiều chỉnh lưu – động dùng biến đổi kép sau:  V Ñ      V2 Hình 20 Sơ đồ khối đảo chiều dòng phần ứng nhờ chỉnh lưu kép Trong hệ thống này, nhóm van chỉnh lưu tiristor chỉnh lưu đảo chiều coi chỉnh lưu riêng biệt, cung cấp cho phụ tải động điện dòng điện theo chiều cố đònh Do đó, hai nhóm van chỉnh lưu làm việc kết hợp với phụ tải ta cần đặc biệt ý đến phương pháp điều khiển chúng Mục đích việc điều khiển phối hợp để đảm bảo chế độ làm việc an toàn hệ thống, tránh trao đổi lượng trực tiếp từ nhóm chỉnh lưu sang nhóm kia, tức phải hạn chế dòng ký sinh chúng hay gọi dòng cân Có hai phương pháp điều khiển kết hợp hai nhóm van điều khiển riêng điều khiển chung Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng hai biến đổi làm việc riêng lẻ Tại thời điểm phát xung điều khiển mở tiristor, đặt lên nhóm van làm việc mà nhóm thứ hai xung mở van nên hoàn toàn ngắt khỏi mạch phụ tải Nhờ ta loại trừ dòng cân Giả sử ta điều khiển cho động quay thuận, ta cho nhóm van V1 làm việc trạng thái chỉnh lưu với góc kích  < 900 loại trừ tác dụng nhóm van V Lúc chiều sức điện động chỉnh lưu Ed1, sức phản điện động động , moment tốc độ động biểu diễn sau: V1 Rb  Iư Ed1 Rư  Hình 21 Sơ đồ hệ thống điều M thay n khiển riêng cho động quay thuận Để cho động làm việc trạng thái hãm tái sinh, quay thuận ta loại trừ tác dụng nhóm van V cho nhóm van V2 làm việc trạng thái nghòch lưu với góc kích  > 900 Lúc này, chiều đại lượng điện hệ thống biểu diễn sau: Iư Rb Rư  M n V2 Ed2  Hình 22 Sơ đồ thay hệ thống điều khiển riêng cho động làm việc trạng thái hãm tái sinh, quay thuận Với cách điều khiển tương tự, động quay ngược ta cho nhóm van V2 làm việc trạng thái chỉnh lưu với góc kích  < 900 loại trừ tác dụng nhóm van V Khi cần cho động làm việc trạng thái hãm tái sinh, quay ngược ta cho nhóm van V2 làm việc trạng thái nghòch lưu với góc kích  > 900 đồng thời loại trừ tác dụng nhóm van V1 Nhận xét: Ưu điểm: Phương pháp điều khiển riêng làm việc an toàn, dòng điện cân chạy biến đổi Nhược điểm: Hệ thống phải cần có khoảng thời gian trễ dòng điện chạy qua động không Do đó, phương pháp đòi hỏi hệ thống điều khiển có logic phức tạp phải đủ độ nhạy Đồng thời phương pháp có đặc tính động động không tốt Phương pháp điều khiển chung: Phương pháp thực cách: Tại thời điểm hai biến đổi nhận xung mở, Ed1 có biến đổi cho nghòch lưu V1 cấp dòng biến đổi làm việc chế độ  đợi Khi cần điều khiển cho động quay thuận, ta cho Iư nhóm van V1 làm việc chỉnh lưu với góc kích 1 < Rb1trạng thái R 90 , điện truyền vào động Lúc này, nhóm van V    Rb2 V2 Ed2  có xung kích với góc kích 2 > 900 cho  Ed2  >  Ed1  Do đó, thành phần chiều dòng điện chạy từ nơi có điện thấp ( nhóm van V ) sang nơi có điện cao ( nhóm van V2 ) từ động chạy sang nhóm van V Nhóm van V2 làm việc trạng thái nghòch lưu đợi Sơ đồ thay hệ thống trường hợp trình bày sau: Hình 23 Sơ đồ thay hệ thống đảo chiều chỉnh lưu – động phương pháp điều khiển chung Nếu chọn  Ed1  =  Ed2  ta có phương pháp điều khiển chung tuyến tính Vì Ed1 = Ed0cos1, Ed2 = Ed0cos2 Ta mối quan hệ hai góc kích: 1 + 2 = 1800 Phương pháp điều khiển chung tuyến tính thực cách giữ cho tổng hai góc kích hai nhóm van 1800 Nếu tăng góc kích nhóm van đồng thời phải giảm góc kích nhóm van Nhờ ta giữ tổng sức điện động mạch từ nhóm van V đến V2 là: Ed = Ed1 + Ed2 = Do đó, dòng cân chỉnh lưu không Icb = Ed/Rb = Không có tượng trao đổi lượng nhóm van Nếu điều khiển cho Ed1 < Ed2 ta có phương pháp điều khiển chung phi tuyến Khi mối quan hệ hai góc kích hai nhóm van: 1 + 2 = 1800 +  Trong đó:  Gọi góc không phù hợp Vì  Ed2  >  Ed1  nên tiristor nhóm nghòch lưu V bò khóa, Icb = Trong hai phương pháp điều khiển chung nói trên, Mặc dù ta giữ cho giá trò trung bình sức điện động  Ed2  >  Ed1  giá trò tức thời sức điện động hai nhóm van biến đổi riêng biệt theo sức điện động thứ cấp máy biến áp nên xuất thời điểm có giá trò tức thời  ed1  >  ed2  Lúc ed > tác dụng thuận chiều van, xuất thành phần xoay chiều dòng I cb Dòng Icb có dạng dòng chỉnh lưu bán kỳ nguồn ed Hiện tượng minh họa sơ đồ thay sau: V1 Xcb  ed Rcb V I cb Icb t Hình 24 Sơ đồ thay mạch cân tác dụng tức thời giá trò sức điện động ed dạng sóng chỉnh lưu bán kỳ dòng Icb Để hạn chế biên độ dòng I cb ta thường dùng cuộn kháng cân KCB II HỆ THỐNG BĂM – ĐỘNG CƠ: Trong công nghiệp, điện áp chiều sử dụng rộng rãi hệ thống truyền động điện Điện áp chiều chuyển đổi mức độ khác tùy theo yêu cầu hệ thống Điện áp chiều thay đổi qua phương pháp biến đổi sau: - Phương pháp điều chỉnh biến trở - Phương pháp điều chỉnh máy phát chiều - Phương pháp dùng biến đổi có khâu trung gian xoay chiều - Phương pháp dùng băm ( Chopper ) So với phương pháp băm phương pháp Ứng dụng thiết bò tiristor công suất lớn đời ngành điện tử công suất Đã góp phần tạo chuyển mạch nhằm thực việc chuyển đổi điện áp chiều với hiệu cao, độ nhạy đạt yêu cầu kỹ thuật, điều khiển trơn, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt máy nhỏ Bộ băm dùng để biến đổi điện áp chiều không đổi U thành xung chiều có trò số trung bình biến đổi Utb Utb điều chỉnh từ đến lớn nhất, điện áp nguồn cung cấp cho băm Ứng dụng quan trọng băm điều chỉnh tốc độ động chiều công nghiệp giao thông vận tải Bởi việc sử dụng băm hoàn toàn thích hợp, tiết kiệm lượng, kinh tế hiệu cao, đồng thời đảm bảo trạng thái hãm tái sinh động Có ba dạng băm: băm nối tiếp, băm song song, băm đảo dòng II Bộ băm nối tiếp: II a Nguyên lý hoạt động: Id biểu diễn Sơ đồ nguyênVlý hệ thống S1 +     sau:  Rd (-) + C (+) VS2 Ld   D U - DC   LC Ud ID0   E Hình 25 Sơ đồ nguyên lý băm nối tiếp Trong đó: - VS1: Là tiristor - VS2: Là tiristor phụ, dùng để ngắt băm - Lc, Dc, C: Là phần tử chuyển mạch, tạo mạch nạp cho tụ C - D0: Diode hoàn lượng, trì dòng qua tải băm ngắt Bộ băm nối tiếp khóa điện S tiristor điều khiển đóng mở hệ thống cách chu kỳ Khi S đóng điện áp ngỏ tải U d = U S mở Ud = Giả sử trạng thái ban đầu V S1 VS2 bò khóa, tụ C nạp đầy với cực dương phía ghi hình ( 25 ) Cho xung điều khiển kích tiristor V S1, VS1 mở, dòng điện từ cực dương nguồn U chạy qua V S1 vào mạch phụ tải ( R, L, E ) trở cực âm nguồn U Đồng thời tụ C phóng điện theo vòng: V S1-Lc-Dc-C tụ C nạp điện theo chiều ngược lại Điện áp tải Ud = U Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ V S2, VS2 mở, đặt điện áp hai cực tụ C lên V S1 làm cho VS1 bò khóa lại Lúc điện áp tải Ud = Thay đổi tỷ số thời gian đóng thời gian ngắt VS1 điều chỉnh giá trò trung bình điện áp tải Gọi T chu kỳ băm, T = Tđg + Tng Trong đó: - Tđg = T thời gian đóng mạch VS1 - Tng = T - Tđg thời gian ngắt mạch -  = Tđg/T tỷ số đóng chu kỳ Giá trò trung bình điện áp taûi: T Tdg ( Udt  U U  T T ) Khi ta thay đổi tỷ số đóng  có thể44 điều chỉnh U tb  Utb Có hai cách để thay đổi : - Giữ cố đònh chu kỳ xung T ( tần số cố đònh ), thay đổi thời gian đóng mạch Tđg băm Phương pháp gọi phương pháp điều khiển độ rộng xung - Giữ cố đònh thời gian đóng mạch T đg, thay đổi chu kỳ băm T ( tần số biến thiên ) Phương pháp gọi phương pháp điều tần Khi  = tức Tđg = ta có Utb = 0, băm thường xuyên ngắt mạch, n = Khi  = tức T đg = T ta có Utb = U, băm thường xuyên đóng mạch, n = nmax Trong hệ thống, thời gian đóng mạch Tđg điều chỉnh tùy theo ý muốn T đg nhỏ chu kỳ mạch dao động LC, tức phải đảm bảo: L C Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp tải Ud Tdg   sau: Ud U Utb t Tđg Tng Hình 26 Sơ đồ T biểu diễn đồ thò điện áp ngõ tải Ud Xét trình dao động dòng tải: Trong khoảng thời gian < T < T đg khóa S đóng điện Điện áp tải Ud = U, dòng điện tải I tăng từ giá trò nhỏ Imin đến giá trò lớn Imax Biểu thức I xác đònh cách giải phương trình mạch điện S đóng: di R U  E  i dt L L Biểu thức tổng quát dòng điện là: R  ( )t L U E i  K 1l  Tại thời điểm t = R thì: ( 45 ) U E U E  K I  R R Thay giaù trò K1 vào ( 45 ) ta được: i I K  i ( I  U  E  )e R R t L  U  E R ( 46 ) Khi t = Tđg ta có trò số lớn dòng ñieän: R U  E  L Tdg U  E )e  R R R R  T  Tdg dg U E L (  I max  (1  e )  I e L Ta nhận thấyRtrong giai đoạn S đóng dòng 47 ) điện tải I tăng từ trò số Imin đến Imax theo qui luật hàm số mũ Lý luận tương tự, xét khoảng thời gian T đg < t < T, S ngắt điện, điện áp tải U d = dòng điện tải I giảm theo hàm mũ t = T đạt giá trò Imin I max ( I  I ( I max E   )e R  Tdg (T  Tdg ) Tu 1  E U U e Tu E  I max  ( Tdg ) R T R u Trong đó: Tư = e L/R 1 ( 48 ) ( 49 ) Khi S đóng liên tục Tđg = T thì: i = I = Imax = Imin = ( U - E )/R ( 50 ) Nếu Tđg khóa S giảm nhỏ đến giá trò tới hạn Tđggh Imin = Lúc hệ thống làm việc biên giới chuyển từ chế độ dòng điện liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn Ta có đồ thò điện áp, dòng điện chế độ liên tục gián đoạn băm sau: Ud U Tñg Tng T t I Imax Imin t Imax IS Imin t Imax ID0 Imin Hình 27 Đồ thò biểu diễn điện áp dòng điện t độ liên tục gián đoạn băm nối ngõ chế tiếp II b Cách điều chỉnh tốc độ: Khi điện áp nguồn chiều U không đổi, tốc độ động thay đổi nhờ thay đổi tỷ số thời gian đóng ngắt khóa S Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh tốc độ động sử dụng băm nối tiếp sau: + Lư   D0 U Iư  Đ - 28 Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều Hình chỉnh tốc độ động sử dụng băm nối tiếp Trong chế độ dòng điện liên tục T x = T nên ta có Utb = U với    Đối với tải động chiều có dòng trung bình phần ứng I, sức điện động E ta có: E = U tb – IRư với: RI U (3  u KE  tốc độ hay51 ) Theo (3 51 ) họ đặcK Etính đặc tính E  K E n  n  điện động chế độ dòng điện liên tục họ đường thẳng song song ứng với trò số khác  Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trò Tđg hay  cố đònh đường biên liên tục nửa đường elip vẽ nét đứt Dòng trung bình liên tục I tblt có trò số nhỏ Itblt = ứng với n = (  = ) vaø n = n nmax (  = ) nmax max = n1  n2 2 n3 3 M, I min = MC tính điện Hình 29 Họ đặc hệ thống băm nối tiếp động chiều Như vậy, hệ thống băm nối tiếp đảm bảo cho máy điện làm việc trạng thái động Khi S mở U d = U S đóng Ud = Vậy điện áp dòng điện trung bình qua động luôn dương Hệ thống làm việc góc phần tư thứ mặt phẳng tọa độ U, I U I Hình 30 Đồ thò biểu diễn phạm vi điều chỉnh hệ thống sử dụng băm nối tiếp II Bộ băm song song: II a Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý băm song song biểu diễn sau: D +   Id IT L Ud T U R   -  E  Hình 31 Sơ đồ nguyên lý băm song song L: Là điện cảm phần ứng động kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const Xét khoảng thời gian < t < T tiristor T mở, diode D phân cực ngược nên bò khóa để tránh làm ngắn mạch nguồn U Lúc này: Ie = 0, Ud = 0, IT = Id Trong khoảng thời gian T < t < T T khóa D mở Lúc naøy Ie = Id, Ud = U, IT = Giá trò trung bình điện áp chiều: T ( U tb  Udt (1   )U T ) T Giá trò trungbình dòng điện trả 52 nguồn: T ( I e  I d dt (1   ) I d T 53tiristor: ) T bình dòng điện chạy qua Giá trò trung I tb  T T I dt I d ( 54 ) Phương trình 0mạch tải máy điện trạng thái hãm tái sinh: d dI d E  Ud U d  I d  dt R ( Ta có dạng sóng điện áp ngõ ra55 U d) dòng Ie, IT nhö sau: E  RI d  L Ud U t Ie Id t IT t T Hình 32 Sơ đồ biểu diễn dạng sóng điện áp T ngõ ra, dòng Ie IT II b Cách điều chỉnh tốc độ: Lư D +   U Đ  Hình 33 -  Mạch động lực hệ thống điều chỉnh  tốc độ động chiều sử dụng băm song song Khi tải máy điện chiều, băm song song cho phép thực hãm tái sinh Trong chế độ hãm, máy điện làm việc máy phát điện, trả lượng trở nguồn nuôi nó làm việc trạng thái động điện Từ biểu thức ( 53 ) ta nhận thấy khống chế dòng điện hãm tái sinh cách tác động vào tỷ số chu kỳ  Và từ ( 55 ) để tiến hành hãm tái sinh cho máy điện, trả lượng trở nguồn I d > sức điện động E > Ud Như vậy, S mở U d = S ngắt U d = U dòng điện hướng chiều âm U d dương Do đó, phạm vi điều chỉnh biểu diễn sau: U I Hình 34 Đồ thò biểu diễn phạm vi điều chỉnh hệ thống sử dụng băm song song II Bộ băm đảo dòng: II a Nguyên lý hoạt động: Bộ băm đảo dòng kết hợp băm nối tiếp băm song song Bộ băm đảo dòng cho phép truyền lượng theo hai chiều Ta có sơ đồ nguyên lý băm đảo dòng trình bày sau: + D2  I2 U  T1    Id R T2 D1  L Ud  E -    Hình 35 Sơ đồ nguyên lý băm đảo dòng II b Cách điều chỉnh tốc độ: Khi tải máy điện chiều, U nguồn điện áp chiều không đổi máy điện làm việc hai trạng thái: Động máy phát Ở trạng thái động cơ: T2 khóa, T1 mở khoảng thời gian 1T chu kỳ Lúc điện áp tải là: Ud = 1U sức điện động động E = U d - RId = 1U - RId với Id > Ở trạng thái máy phát: T1 khóa, T2 mở khoảng thời gian 2T chu kỳ Lúc điện áp tải là: Ud = ( - 2 )U sức điện động động cơ: E = U d RId = ( - 2 )U - RId với Id < Mối quan hệ tỷ số chu kỳ 1 2: 1 + 2 = Như vậy, với băm đảo dòng, cách tác động vào 1 2 ta có họ đặc tính điện động điện chiều hai trạng thái động hãm tái sinh n 2 = 0,2 1 = 50, 0,75 0,7 0,5 0,25 M, I 0 Hình 36 Họ đặc tính hệ thống điều chỉnh tốc độ sử dụng băm đảo dòng Như vậy, băm đảo dòng đảm bảo cho hệ thống truyền động điện làm việc hai góc phần tư thứ thứ tư mặt phẳng tọa độ U, I Khi hai T1 T2 mở Ud = +U U = -U chúng đền ngắt, lúc hai diode D1 D2 đồng thời dẫn Do đó, giá trò trung bình điện áp tải luôn dương thời gian mở chopper T 1, T2 lớn thời gian ngắt chúng Nếu ngược lại giá trò trung bình điện áp tải có giá trò âm Khi I d dương Ud âm lượng trả lại nguồn Ta có sơ đồ mạch động lực phạm vi điều chỉnh băm đảo dòng minh họa sau: +   T1 ĐK  U U D2 Ñ  D1 (a)  T2  I -Hình  37 Hệ thống điều chỉnh tốc độ sử ( bđộng ) dụng băm đảo dòng: a) Mạch động lực b) Phạm vi điều chỉnh KẾT LUẬN Qua trình thực tập luận văn tốt nghiệp giúp em hiểu rõ thực tế đồng thời củng cố lại kiến thức học suốt thời gian qua Đề tài mang nặng lý thuyết liên quan đến ngành truyền động điện Dưới hướng dẫn Thầy Nguyễn Dư Xứng, sinh viên thực cố gắng để trình bày đầy đủ yêu cầu tập luận văn: - Giới thiệu linh kiện bán dẫn công suất lớn như: diode, transistor, triac đặc biệt tiristor - Giới thiệu phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập ứng dụng điện tử công suất việc điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập qua hệ thống: Hệ thống chỉnh lưu - động Hệ thống băm - động ... truyền động điện: I a Hướng điều chỉnh tốc độ: Hướng điều chỉnh tốc độ ta điều chỉnh để có tốc độ lớn hay bé so với tốc độ tốc độ làm việc động điện đường đặc tính tự nhiên I b Phạm vi điều chỉnh tốc. .. tục điều chỉnh tốc độ: Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục điều chỉnh tốc độ  đánh giá tỉ số hai cấp tốc độ kề nhau:  = ni/ni+1 Trong đó: - ni: Tốc độ điều chỉnh. .. đổi điện áp đặt vào phần ứng động Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất giảm áp cho tốc độ nhỏ tốc độ n cb Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào