Nghiên cứu về điện tử công suất và ứng dụng của để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng không chỉ trong lĩnh vực sản xuất mà cả trong việc phục vụ đời sống sinh hoạt của con người

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LỜI CẢM TẠ Em xin chân thành tỏ lòng biết ơn đến LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thầy Nguyễn Dư Xứng, giáo viên trực tiếp hướng dẫn em suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Sự tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên Thầy giúp em ĐỀ TÀI: nhiều việc hoàn thành tập luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô NGHIÊN CỨU VỀem ĐIỆN SUẤT dạy dỗ chúng TỬ suốtCÔNG thời gian qua VÀ ỨNG DỤNG Cuối CỦA ĐIỆNlà TỬ SUẤT ĐIỀU CHỈNH lờiCÔNG cảm ơn chânĐỂ thành TỐC ĐỘcùng ĐỘNG CƠthể bạn đến gia đình, người thân toàn MỘT CHIỀU ĐỘC bè, người KÍCH độngTỪ viên tinh LẬP thần giúp em hoàn thành nhiệm vụ giao Sinh viên thực Võ Ngọc Toản Sinh viên thực hiện: Võ Ngọc Toản Lớp: 95KĐĐ Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Dư Xứng TP HỒ CHÍ MINH Tháng - 2000 LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn công nghiệp hóa, đại hóa đất nước, ngày có nhiều thiết bị bán dẫn công suất đại sử dụng không lónh vực sản xuất mà việc phục vụ đời sống sinh hoạt người Sự đời phát triển linh kiện bán dẫn công suất như: diode, transistor, tiristor, triac… Cùng với việc hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên thay đổi sâu sắc, vượt bậc kỹ thuật biến đổi điện ngành kỹ thuật điện nói chung Hiện nay, mạng điện nước ta chủ yếu điện xoay chiều với tần số điện công nghiệp Để cung cấp nguồn điện chiều có giá trị điện áp dòng điện điều chỉnh cho thiết bị điện dùng hệ thống truyền động điện chiều, người ta hoàn thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor Vì lý trên, đề tài “ Nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập “ sâu vào nghiên cứu hệ thống truyền động có dùng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập Luận văn trình bày gồm ba chương: Chương I: Giới thiệu điện tử công suất Chương II: Nghiên cứu trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập Chương III: Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập có dùng điện tử công suất Do điều kiện thời gian, kiến thức hạn hẹp, nên tập luận văn không tránh khỏi thiếu sót mặt nội dung lẫn hình thức Sinh viên thực mong nhận quan tâm, bảo quý thầy cô, bạn bè để tập luận văn hoàn thiện Sinh viên thực BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM -0O0 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : VÕ NGỌC TOẢN Lớp : 95KĐĐ Ngành : Điện - Điện tử Tên đề tài: Nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập Các số liệu ban đầu: Nội dung phần thuyết minh, tính toán: Các veõ: Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Dư Xứng Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Giáo viên hướng dẫn Thông qua môn Ngày tháng năm 2000 Chủ nhiệm môn Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I DIODE CÔNG SUẤT: I Cấu tạo: P P + + N q -  N d Ano át Kato Hình 1 ( a át ( b a) Cấu tạo diode ) ) b) Ký hiệu diode Diode công suất linh kiện bán dẫn có hai cực, 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 Ei 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 Ei N P U N U (b) + + -( a ) 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 > E i có dòng điện chạy mạch, tạo nên điện áp rơi diode khoảng 0,7V dòng điện định 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 E i 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 bị phân cực ngược Nếu tiếp tục tăng U, điện tích gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm barie điện bị đánh thủng Đặc tính volt-ampe diode công suất biểu diễn gần biểu thức sau: I = IS [ exp (eU/kT) – ] ( 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 trị vài chục mA ký hiệu I S 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 chịu 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 trị 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 200 0C Vượt nhiệt độ diode bị 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 định 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: Về mặt vật lý, a) transistor Cấu tạogồm phần: phần phát, phần phần thu Vùng b) (B)hiệu mỏng Ký Transistor công suất có cấu trúc ký hiệu sau: B C IC C UCE IB UBE E IE E  B E  C ( b  suất Hình(N1.a6 Transistor pP công  N p trúc )  Emit )a) Cấu Colect b) Ký hiệu    er II Nguyên lý hoạt động:  E or  C  IE Bas e IE RE + UEE  - IC + UCC C Hình Sơ đồ phân cực transistor Điện UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) 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 I E Dòng điện đo mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC đơn vị 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 định 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 I CBO – nhỏ - Vậy dòng qua cực thu: IC = IE + ICBO * Các thông số transistor công suất: - IC: Dòng colectơ mà transistor chịu - UCEsat: Điện áp UCE transistor dẫn bão hòa - UCEO: Điện áp UCE mạch badơ để hở, IB = - UCEX: Điện áp UCE badơ bị khóa điện áp âm, IB < - ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat  - tf: Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống - tS: Thời gian cần thiết để U CE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U - P: Công suất tiêu tán bên transistor Công suất tiêu tán bên transistor tính theo công thức: P = U BE.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 trị 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 UCE UCE  ( b ( a Hình Trạng thái dẫn trạng thái ) bị 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 trị nhỏ, người ta phải cho làm việc chế độ bão hòa, tức IB 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 ) V1 Rb  Iư Ed1 Rư  Hình 21 Sơ đồMthay n hệ thống điều 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 nghịch lưu với góc kích  > 900 Lúc này, chiều đại lượng điện hệ thống biểu diễn sau: Iư Rb  M n Rư Ed2 V2 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 V làm việc trạng thái nghịch 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, có biến đổi cấp dòng cho nghịch lưu biến đổi làm việc chế độ đợi Khi cần điều khiển cho động quay thuận, ta cho nhóm van V E làm việc trạng thái chỉnh V1lưu vớid1góc kích 1 < 900, điện truyền vào động Lúc này, nhómvan V có xung kích với góc kích 2 > 900 cho  Ed2  >  Ed1  Do Iư đó, thành phần chiều dòng thấp ( nhóm van V ) sang nơi Rb1nơi có điện điện chạy từ R có điện cao ( nhóm van V )ư từ động chạy sang nhóm van V    Rb2 V2 Ed2  Nhoùm van V2 làm việc trạng thái nghịch 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 180 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 V1 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 E d1 < 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 nghịch lưu V2 bị khóa, Icb = Trong hai phương pháp điều khiển chung nói trên, Mặc dù ta giữ cho giá trị trung bình sức điện động  Ed2  >  Ed1  giá trị 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 trị tức thời  ed1  >  ed2  Lúc ed > tác dụng thuận chiều van, xuất thành phần xoay chiều dòng Icb Dòng Icb có dạng dòng chỉnh lưu bán kỳ nguồn ed Hiện tượng minh họa sơ đồ thay nhö sau: V1 Xcb  ed Rcb V I cb Icb t Hình 24 Sơ đồ thay mạch cân tác dụng tức thời giá trị sức điện động ed dạng sóng chỉnh lưu bán kỳ dòng Icb Để hạn chế biên độ dòng Icb 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 bị 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 trị số trung bình biến đổi U tb 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: Sơ đồ nguyên lý hệ thống biểu diễn sau: + VS1   C U (-) + (+) - V S2  DC Id     Rd  LC Ld D0 Ud  E ID0 Hình -  25 Sơ đồ nguyên lý của 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 Ud = U S mở Ud = Giả sử trạng thái ban đầu V S1 VS2 bị 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 S1Lc-Dc-C tụ C nạp điện theo chiều ngược lại Điện áp tải U d = U Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt điện áp hai cực tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khóa lại Lúc điện áp tải Ud = Thay đổi tỷ số thời gian đóng thời gian ngắt V S1 điều chỉnh giá trị 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 trị trung bình điện áp tải: T Tdg ( U tb  Udt  U U T T 44điều ) Khi ta thay đổi tỷ số đóng  chỉnh Utb Có hai cách để thay đổi : - Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định ), thay đổi thời gian đóng mạch Tđg băm Phương pháp gọi phương pháp điều khiển độ rộng xung - Giữ cố định 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 Tđg = 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 Tđg nhỏ chu kỳ mạch dao động LC, tức phải đảm bảo: L C Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp tải Ud sau: Tdg   Ud U Utb t Tđg Tng Hình 26 Sơ đồT biểu diễn đồ thị điện áp ngõ tải Ud Xét trình dao động dòng tải: Trong khoảng thời gian < T < Tđg khóa S đóng điện Điện áp tải U d = U, dòng điện tải I tăng từ giá trị nhỏ Imin đến giá trị lớn Imax Biểu thức I xác định cách giải phương trình mạch điện S đóng: Biểu thức tổng quát dòng điện là: di R  ( RLU)t  EU  E  K 1il   i dt L L R ( 45 ) Tại thời điểm t = thì: U E U E  K I  R R Thay giá trị 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 trị số lớn dòng điện: R U  E  L Tdg U  E I max ( I  )e  R R R R  Tdg  Tdg U E (  I max  (1  e L )  I e L Ta nhận thấyRtrong giai đoạn S đóng dòng 47 ) điện tải I tăng từ trị 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 ( 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 trị tới hạn T đggh 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 thị điện áp, dòng điện chế độ liên tục gián đoạn băm sau: Ud U Tđg Tng T t I Imax Imin t Imax IS Imin t Imax ID0 Imin Hình 27 Đồ thị biểu diễn điện áp dòng điện ngõ t chế độ liên tục gián đoạn băm nối 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  Hình 3.- 28 Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều chỉnh tốc độ  động sử dụng băm nối tiếp Trong chế độ dòng điện liên tục T x = T nên ta có U tb = U với    Đối với tải động chiều có dòng trung bình phần ứng I, sức điện động E ta có: E = Utb – IRư với: RI U (3  u K  K  E ) tính điện Theo (3 51 ) họ cácE đặc tính tốc độ hay51 đặc E  K E n  n  động chế độ dòng điện liên tục họ đường thẳng song song ứng với trị số khác  Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trị T đg hay  cố định đường biên liên tục nửa đường elip vẽ nét đứt Dòng trung bình liên tục Itblt có trị số nhỏ Itblt = ứng với n = (  = ) vaø n = nmax (  = ) n nmax max = n1 1 n2 2 n3 3 M, I Hình 29 Họ đặc tính điện hệ thống băm nối tiếp min = MC 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 phạm vi điều chỉnh hệ thống Hình 30 Đồ thị biểu diễn 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 bị khóa để tránh làm ngắn mạch nguồn U Lúc naøy: Ie = 0, Ud = 0, IT = Id Trong khoảng thời gian T < t < T T khóa D mở Lúc Ie = Id, Ud = U, IT = Giá trị trung bình điện áp chiều: T ( U tb  Udt (1   )U T ) T Giá trị 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 trị trung I tb  T T I dt I d ( 54 ) Phương trình mạch tải máy điện trạng thái hãm tái sinh: d dI d E  Ud U d  I d  dt R ( ) dòng I , I Ta có dạng sóng điện áp ngõ U d55 vaø e T E  RI d  L sau: Ud U t Ie Id t IT t T Hình 32 Sơ đồ biểu diễn dạng sóng điện áp ngõ ra, T 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 Ud = S ngắt Ud = U dòng điện hướng chiều âm U d dương Do đó, phạm vi điều chỉnh biểu diễn sau: U I Hình 34 Đồ thị 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: U d = 1U sức điện động động E = Ud - 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: U d = ( - 2 )U sức điện động động cơ: E = Ud - 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 50, 0,7 1 = 0,75 0,5 0,25 0 M, I 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 trị trung bình điện áp tải luôn dương thời gian mở chopper T 1, T2 lớn thời gian ngắt chúng Nếu ngược lại giá trị trung bình điện áp tải có giá trị âm Khi Id 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 dụng ( b động ) băm đảo dòng: a) Mạch động lực b) Phạm vi điều chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội -1996 Tác giả CYRIL W LANDER ( Người dịch Lê Văn Doanh ) Điện tử công suất điều khiển tốc độ động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật - 1997 Nguyễn Bính Điện tử công suất Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội -1996 Trần Khánh Hà Máy điện1 Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội - 1997 Đỗ Xuân Tùng, Trương Tri Ngộ Nhà xuất xây dựng Hà Nội MỤC LỤC Trang Chương I: Giới thiệu điện tử công suất I Diode công suất II Transistor công suất III Tiristor IV Triac 10 Chương II: Nghiên cứu trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập 12 I Khái niệm chung 12 II Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động 13 III Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông15 IV Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 16 V Điều chỉnh tốc độ cách rẽ mạch phần ứng 17 VI Điều chỉnh tốc độ hệ thống máy phát - động ( F - Đ ) 20 VII Hệ thống khuếch đại máy điện - động 24 VIII Hệ thống khuếch đại từ - động .29 Chương III: Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập có dùng điện tử công suất 34 I Hệ thống chỉnh lưu động 34 I Hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia - động 34 I a Sơ đồ nguyên lý 34 I b Nguyên lý hoạt động dạng sóng 35 I c Hiện tượng chuyển mạch 39 I d Sóng hài việc san điện áp sóng hài 40 I e Phương trình đặc tính động .41 I f Nhận xét 44 I Hệ thống chỉnh lưu ba pha hình cầu - động cơ45 I a Sơ đồ nguyên lý 45 I b Nguyên lý hoạt động dạng sóng 46 I c Hiện tượng chuyển mạch 50 I d Sóng hài việc san điện áp chỉnh lưu 52 I e Phương trình đặc tính động .53 I f Nhận xét 54 I Chế độ nghịch lưu hệ thống chỉnh lưu - động .54 I Đảo chiều quay hệ thống chỉnh lưu - động .55 I a Phương pháp đảo chiều dòng kích từ động 56 I b Phương pháp đảo chiều dòng phần ứng tiếp điểm .57 I c Phương pháp đảo chiều dòng phần ứng nhờ chỉnh lưu kép .59 II Hệ thống băm - động 62 II Bộ băm nối tiếp 63 II a Nguyên lý hoạt động 63 II b Cách điều chỉnh tốc độ 66 II Bộ baêm song song 67 II a Nguyên lý hoạt động 67 II b Cách điều chỉnh tốc độ 69 II Bộ băm đảo dòng 69 II a Nguyên lý hoạt động 69 II b Cách điều chỉnh tốc độ 70 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 Với quan tâm nỗ lực không ngừng, tập luận văn hoàn thành có nội dung bám sát yêu cầu đề Mặc dù nhiều hạn chế, thiếu sót qua tập luận văn giúp sinh viên thực đánh giá Đây thành lớn sau nhiều năm học tập với giúp đỡ quý thầy cô, bạn bè Một lần em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Dư Xứng tận tình bảo để giúp em hoàn thành tập luận văn Sinh viên thực ... thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor Vì lý trên, đề tài “ Nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập “ sâu vào nghiên cứu hệ... cứu trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập Chương III: Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập có dùng điện tử công suất Do điều kiện thời gian, kiến... - động lớn ảnh hưởng điện kháng KĐT, hệ số công suất thấp Chương III CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CÓ DÙNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I HỆ THỐNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ: Để