2.3.2. Tranzitor lƣỡng cực công suất (BJT)
Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tƣơng tự nhƣ Transitor thƣờng với các loại nhƣ NPN hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thƣờng là Transitor công suất thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ 1 khoá đóng/cắt điện tử. Tiếp giáp của Transitor công suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lớn có diện tích hàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu đƣợc tần số đóng cắt tƣơng đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn đƣợc gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình 2.20 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch.
p p n Collector Emitor Baz¬ J2 J1 C E B p Collector Emitor Baz¬ J2 J1 C E B n n
2. 19: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngược 2.3.4. TRANSITOR TRƢỜNG (FET)
2.3.4.1. Khái niệm
Transitor trƣờng đƣợc viết tắt là FET (Field effect Transitor) là loại Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn khác với Transitor lƣỡng cực BJT. Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trƣờng nằm vuông góc với đƣờng dòng điện.
Transitor lƣỡng cực, dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật liệu bán dẫn loại N và P ở Transitor trƣờng dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán dẫn . Đƣờng của dòng điện đƣợc cấu tạo từ chất bán dẫn loại N đƣợc gọi là bán dẫn kênh N. Loại đƣợc cấu tạo từ bán dẫn loại P đƣợc gọi là kênh P. Các Transitor trƣờng có 3 chân ):
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
G
D S
- Cực máng D (Drain) tƣơng đƣơng với cực Collector - Cực nguồn S (Source) tƣơng đƣơng với cực Emitter - Cực cổng G (Gate) tƣơng đƣơng với cực Base
Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109 , ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015 ) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor trƣờng có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trƣờng rất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs.
2 Tra
(JFET),
2.1
2.
Loại Loại kênh N Loại kênh P
JFETs
MOSFETs loại kênh liên tục
MOSFETs loại kênh gián đoạn
.
Tham số giới hạn :
- Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0) - Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép
G D S G D S G D S G D S G D S
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép
- Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0 Tham số làm việc :
- Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID
- Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = UDS/ ID, rDS thể hiện độ dốc của đƣờng đặc tính đầu ra trong vùng bão hoà.
- Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ID/ UGS cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cổng tới dòng cực máng.
2.3.3. Thyristor:
Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 . Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G.
j2
j1
j3
K G
b> § Æc tÝnh v«n - ampe cña thyr istor a> CÊu tr óc vµ ký hiÖu cña thyr istor
n n p p U i Idt Iv 0 Uv,th Uth,max IG2 IG1 IG0 IG0 = 0 § ong dß Ung,max § ong dß A A K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đặc tính V-A của Thyristor gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tƣ thứ nhất với UAK > 0, còn phần đặc tính ngƣợc nằm ở góc phần tƣ thứ ba với UAK < 0. + E R1 Rt T - IG IV S R2 2. 21: Mở thyristor UC T1 R2 T2 +E - + G1 G2 A B R1 2. 22: Khóa thyristor Có 2 phƣơng pháp kích mở thyristor:
- Phƣơng pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tƣơng đƣơng trong mạch A- K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Phƣơng pháp này ít đƣợc sử dụng trong thực tế.
- Phƣơng pháp thứ hai là: phân cực cho UAK >0, sau đó thực hiện đƣa một dòng điện có giá trị nhất định vào cực G. Khi đó thyristor sẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang thấp, nên có dòng điện đi qua thyristor. Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng mà không cần xung điều khiển nữa. Phƣơng pháp này chỉ cần mạch điều khiển có công suất rất nhỏ so với mạch lực.
Để khóa thyristor ta cần phải giảm dòng qua A-K về dƣới mức dòng duy trì (Idt), và đặt một điện áp ngƣợc lên thyristor trong thời gian tối thiểu yêu cầu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.4. Vi điều khiển Atmega8
2.3.4.1. Tổng quan về VĐK Atmega8:
Vi điều khiển Atmega8 của hãng ATMEL là một loại vi điều khiển AVR mới với kiến trúc rất phức tạp. Atmega 8 là bộ vi điều khiển RISC 8 bit tiêu thụ năng lƣợng ít nhƣng đạt hiệu suất rất cao, dựa trên kiến trúc RISC AVR. Bằng việc thực hiện các lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, Atmega8 đạt đƣợc tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu lệnh/giây - 61 - ở tần số 1MHz. Atmega8 còn cho phép ngƣời thiết kế hệ thống tối ƣu hoá mức độ tiêu thụ năng lƣợng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.
Atmega 8 đã tích hợp đầy đủ các tính năng nhƣ bộ chuyển đổi ADC 10bit, bộ so sánh, bộ truyền nhận nối tiếp, bộ định thời, bộ đếm thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung…Do đó ta phải nghiên cứu và khai thác triệt để các tính năng này để ứng dụng hiệu quả vào những mạch trong thực tế. Atmega8 sử dụng kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) AVR.
Atmega8 với kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lƣợng cao và tiêu thụ năng lƣợng ít: - 130 lệnh hầu hết đƣợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
- 32 thanh ghi làm việc đa năng.
- Tốc độ xử lý lệnh lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16MHz. Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chƣơng trình không tự mất dữ liệu:
- 8K byte bộ nhớ Flash lập trình đƣợc ngay trên hệ thống, có thể nạp xoá 10000 lần. - 512 byte bộ nhớ EEFROM lập trình đƣợc ngay trên hệ thống, có thể ghi xóa 100000 lần.
- 1K byte bộ nhớ SRAM.
- Có thể giao tiếp với 8K byte bộ nhớ ngoài. - Khóa bảo mật phần mềm lập trình đƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Giao diện nối tiếp SPI để lập trình ngay trên hệ thống. Các tính năng ngoại vi:
- Hai bộ đếm/ bộ định thời 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt. - Một bộ định thời 16 bit với chế độ so sánh, chia tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu (Capture Mode).
- Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động tách biệt. - Bộ điều chế độ rộng xung PWM 8 bit.
- Bộ biến đổi ADC bên trong 8 kênh 10 bit. - 2 bộ USART nối tiếp lập trình đƣợc.
- Bộ định thời Watchdog lập trình đƣợc với bộ dao động trên chip. - Một bộ so sánh Analog.
Các tính năng vi điều khiển đặc biệt:
- Có mạch power - on reset và có thể reset bằng phần mềm. - Các nguồn ngắt ngoài và trong.
- Có 5chế độ ngủ: nghỉ (Idle). Tiết kiệm năng lƣợng (power save) và power down, ADC Noise Reduction, Standby.
- Tần số làm việc có thể thay đổi đƣợc bằng phần mềm. Vào ra và các cách đóng vỏ
- 23 đƣờng vào ra lập trình đƣợc. - 32 chân dán kiểu vỏ vuông (TQFP)
Điện thế làm việc:
- VCC = 2,7V đến 5,5V đối với Atmega8L.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- 0 đến 8 MHz đối với Atmega8L. - 0 đến 16 MHz đối với Atmega8
2.3.4.2. Sơ đồ châncủa Atmega8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.4.3. Sơ đồ khối của Atmega8
2. 24: Sơ đồ khối vi điều khiển AVR Atmega8
2.3.4.4. Mô tả chức năng các chân Atmega8
VCC: Điện áp nguồn nuôi.
GND: Đất.
Port B (PB0…PB7)
- Port B là port I/O 8 bit với điện trở kéo lên ở bên trong, cung cấp dòng điện 40mA có thể điều khiển trực tiếp led đơn.
- Khi các chân Port B là các lối vào đƣợc đặt xuống mức thấp từ bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu nhƣ các điện trở nối lên nguồn dƣơng đƣợc kích hoạt. Các chân này
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
sẽ ở trạng thái tổng trở cao khi tín hiệu Reset ở mức tích cực hoặc ngay cả khi không có dao động.
Port C (PC0…PC6)
- Port C là port I/O 8 bit với điện trở kéo lên ở bên trong, cung cấp dòng điện 40mA có thể điều khiển trực tiếp led đơn.
- Khi các chân Port C là các lối vào đƣợc đặt xuống mức thấp từ bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu nhƣ các điện trở nối lên nguồn dƣơng đƣợc kích hoạt. Các chân này sẽ ở trạng thái tổng trở cao khi tín hiệu Reset ở mức tích cực hoặc ngay cả khi không có dao động.
- Port C cũng đóng vai trò nhƣ 8 đƣờng địa chỉ cao từ A8 đến A15 khi kết nối bộ nhớ SRAM bên ngoài.
Port D (PD0…PD7)
- Port D là port I/O 8 bit với điện trở kéo lên ở bên trong, cung cấp dòng điện 40mA có thể điều khiển trực tiếp LED đơn.
- Khi các chân Port D là các lối vào đƣợc đặt xuống mức thấp từ bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu nhƣ các điện trở nối lên nguồn dƣơng đƣợc kích hoạt. Các chân này sẽ ở trạng thái tổng trở cao khi tín hiệu Reset ở mức tích cực hoặc ngay cả khi không có dao động.
Reset: Ngõ vào đƣợc đặt lại. ATmega8 sẽ đƣợc đặt lại khi chân này ở mức thấp
trong hơn 50ns hoặc ngay cả khi không có tín hiệu xung clock. Các xung ngắn hơn không tạo ra tín hiệu đặt lại.
AVCC: Cung cấp nguồn cho Port C và bộ chuyển đổi ADC hoạt động. Ngay
khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC thì chân AVCC vẫn phải đƣơc kết nối tới nguồn VCC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
XTAL1: Ngõ vào bộ khuếch đại đảo và ngõ vào mạch tạo xung nhịp bên ngoài.
XTAL2: Ngõ ra bộ khuếch đại đảo.
Bộ tạo dao động thạch anh:
- XTAL1 và XTAL2 lần lƣợt là lối vào và lối ra của một bộ khuếch đại đảo, bộ khuếch đại này đƣợc bố trí để làm bộ tạo dao động trên chip
- Để điều khiển đƣợc bộ Vi Điều Khiển từ một nguồn xung nhịp bên ngoài, chân XTAL2 để không, chân XTAL1 đƣợc nối với tín hiệu dao động bên ngoài.
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Chƣơng 2 trình bày khái quát chung về biến tần; các khối chức năng của biến tần điều khiển đông cơ điện. Đồng thời cũng trình bày đặc tính, thông số của một số linh kiện chính đƣợc sử dụng để thiết kế và chế tạo biến tần điều khiển máy điều hòa nhiệt độ (sẽ đƣợc trình bày ở chƣơng 3).
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
3.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống Chuyển đổi AC/DC ĐIỀU KHIỂN Chuyển đổi DC/AC Lƣới cơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3. 1: Sơ đồ khối hệ thống Inverter điều khiển tốc độ động cơ 3.1.2. Vai trò các khối trong sơ đồ 3.1.2. Vai trò các khối trong sơ đồ
Mạch sử dụng điện lƣới 220VAC tần số 50Hz đầu vào, sau đó chỉnh lƣu về điện một chiều 310VDC dùng điôt và tụ, từ điện 310VDC ta cho qua mạch DC-AC để điều chế ra dạng sóng sine đầu ra có thể thay đổi tần số và biên độ, tần số thay đổi từ 0 đến 50Hz, biên độ thay đổi từ 100V đến 230V. Hệ thống gồm 4 khối:
Khối chỉnh lƣu: Có nhiệm vụ chỉnh lƣu điện áp lƣới xoay chiều 1 pha thành điện áp một chiều ổn định 310V
Khối chuyển đổi DC/AC: Tạo ra điện áp xoay chiều thuần sin 1 pha thông qua cầu H, biên độ và tần số của điện áp ra có thể điều chỉnh đƣợc theoqui luật U/f = const, điện áp ra đƣợc đƣa tới cung cấp cho động cơ nén khí (động cơ nén khí là động cơ không đồng bộ 1 pha
Khối cấp nguồn nuôi cho mạch hoạt động
Khối điều khiển: có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển các MOSFET trong cầu H (theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM) và điều khiển các hoạt động khác của hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.2. MẠCH PHẦN CỨNG 3.2.1. Thông số kỹ thuật 3.2.1. Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của Inverter cho máy điều hòa không khí đƣợc liệt kê trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Inverter cho máy điều hòa không khí
Thông số Giá trị
Công suất ra danh định 1 kW
Điện áp, tần số vào 220V, 50Hz
Điện áp ra bộ chỉnh lƣu 300V
Điện áp ra bộ nghịch lƣu (150-230)Vac
Tần số điện áp ra bộ nghịch lƣu (0 - 50)Hz
Tần số chuyển đổi của PWM 35 kHz
Hệ số biến áp xung (n) 1.2
Số pha ngõ vào và ngõ ra 1 pha
3.2.2. Sơ đồ nguyên lý chung
Sơ đồ nguyên lý mạch inverter điều khiển máy điều hòa không khí đƣợc chỉ ra trên hình 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3. 2 3.2.3. Khối chỉnh lưu (Hình 3.3)
3. 3: Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu
Khối này ta sử dụng điôt cầu KBU1008 để chỉnh lƣu điện 220VAC đƣa vào thành điện 310VDC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ta sử dụng tụ có giá trị 100uF để lọc điện áp sau khi chỉnh lƣu, điện 310 sau khi chỉnh lƣu sẽ đƣợc đƣa đến cầu H để điều chế sóng sine đƣa ra tải
3.2.4. Khối cầu H (Hình 3.4)
Khối này nhận các xung điều khiển đƣa từ khối IR2110 để tái tạo lại dạng tín hiệu sine ở đầu ra tải.
Điện áp max: 500V
Dòng Id max: 18.4A (ở 25ºC) ,11.6A (ở 100ºC)
Dải nhiệt độ hoạt động nằm trong khoảng -65 đến 150ºC Nhiệt độ max mà tiếp giáp có thể chịu đƣợc : 150ºC
Với những thông số trên việc lựa chọn IRFP460 vào ứng dụng điều khiển này là hoàn toàn phù hợp cả về điện áp hoạt động, dòng điện Id và nhiệt độ nằm trong khoảng giới hạn cho phép. Nguyên lý hoạt động của khối cầu H nhƣ sau:
Giả sử ban đầu V2 và V3 mở, V1,V4 đóng, dòng điện 310VDC sau chỉnh lƣu sẽ đi qua V2,V3, do tín hiệu này đã đƣợc mạch điều khiển điều chế để tạo ra 1 bán kỳ
sine. Tron , V2,V3 đóng và dòng điện DC 310V đi
qua V1,V4 đến GND tạo nửa bán kỳ sine còn lại, cứ tuần tự nhƣ vậy ta tạo đƣợc tín hiệu hình sine 50Hz
Điện áp ra đƣợc cho qua khối LC bao gồm cuộn lọc L1 và tụ C có giá trị 2.2uF/400V có tác dụng lọc nhiễu cao tần, giữ lại các tín hiệu điều chế sóng sine, lúc