Đồ án môn học điện tử công suất

Trang 1 1ưổ Ìn mẬn hồcưiện tữ cẬng suấtNời dung : Thiết kế bờ bẨm xung Ìp cho Ẽờng cÈ ẬtẬ mờt chiều vợi cÌc thẬng sộ sau:+ U = 48 VDC.+ IẼm = 60 A+ D = 25 :1+ KhẬng Ẽảo chiều+ n = 1000

Giáo viên h ớng dẫn: Phạm quốc hải.

Nhóm sinh viên thực hiện:

Phan Thanh Minh

Lê Văn Quyết

Bùi Anh Tuấn

Nguyễn Danh Tuấn

Nguyễn Thanh Long

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nớc, ngày càng cónhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại đợc sử dụng rộng rãi trong trong tất cả các lĩnhvực sản xuất, phục vụ đời sống con ngời Đặc biệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sửdụng van bán dẫn

Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tơng lai đáp ứng đợc nhu cầucần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Nội dung của đồ án:

+ Chơng I: Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

+ Chơng II: Bộ băm xung áp một chiều

+ Chơng III: Các phơng án Tổng thể

+ Chơng IV: Thiết kế mạch lực

+ Chơng V : Thiết kế mạch điều khiển

Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhng do kiến thức có hạn nên không thể tránhkhỏi một số hạn chế nhất định ,mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án đợc hoàn thiệnhơn

Để hoàn thành đồ án này chúng em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn tận tình của

thầy Phạm Quốc Hải.

Nhóm sinh viên thực hiện.

Chơng I :

Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

1 Động cơ điện một chiều

1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều :

Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn đợc coi là một loại máy quan trọngmặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thôngdụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều u điểm nh khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt , khảnăng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều đợcdùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh cán thép ,hầm mỏ, giao thông vận tải

mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều Bên cạnh đó , động cơ điện một chiều cũng có những nhợc điểm nhất địnhcủa nó nh sovới máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạphơn ( dễ phát sinh tia lửa điện ) nhng do những u điểm của nó nên động cơ điện mộtchiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000 KW ,

điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hớng phát triển hiện nay là cải tiến tínhnăng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có côngsuất lớn hơn Giản đồ kết cấu chung của đông cơ điện một chiều ở hình dới :phần ứng đợcbiểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E,ở phần stato có vài dây quấn kích

từ :dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,dây quấn cực từ phụCF,và dây quấn bù CB.Hệ thống các phơng trình

1.2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động

1.2.1 Phần tĩnh hay stato.

Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau:

a Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ

lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thépcacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thépkhối Cực từ đợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ đợc quấn bằngdây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơncách điện trớc khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ đợc đặt trên các cực từ này đợcnối tiếp với nhau

b Cực từ phụ : Cực từ phụ đợc đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

Lõi thép của cực từ phụ thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn

mà cấu rạo giống nh dây quấn cực từ chính Cực từ phụ đợc gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

c Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.

Trong động cơ điện nhỏ và vừa thờng dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn ờng dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d Các bộ phận khác

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

an toàn cho ngời khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụnglàm giá đỡ ổ bi Trong trờng hợp này nắp máy thờng làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than : để đa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm cóchổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than đ ợc cố

định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vịtrí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1 2.2 Phần quay hay rôto.

Bao gồm những bộ phận chính sau :

a Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ Thờng dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày

0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáygây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạthành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thành những đoạn nhỏ, giữanhững đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi quacác khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào trục Trong

động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹthuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto

b Dây quấn phần ứng.

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dâyquấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có côngsuất dới vài kw thờng dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thờng dùngdây tiết diện chữ nhật Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc

đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

c Cổ góp : dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm

nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm vàhợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại.Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàncác đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đợc dễ dàng

d Các bộ phận khác.

- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thờng chế tạo theokiểu bảo vệ ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơquay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dâyquấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

- Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy th ờng làmbằng thép cacbon tốt

2 3 Đ ặc tính cơ của động cơ điện một chiều :

2.3.1 Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song:

Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)

0

M Mđm

điện kích thích song song đợcdùng trong những trờng hợp tốc

độ hầu nh không đổi khi tải thay

đổi

2.3.2 Động cơ điện kích thích nối tiếp:

ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phầnứng : It= I=I Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:

=K.Itrong đó hệ số tỷ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; còn khi I >(0,8  0,9)I)Iđm

thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoà mạch từ

Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

có dạng là đờng hypebol bậc hai

Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nốitiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng Vàkhi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn Vìvậy thờng chỉ cho phép động cơ làm việc với tảitối thiều P2=(0,2  0,25)Pđm Từ dạng đặc tính cơ

ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơkích thích nối tiếp rất mềm  động cơ nối tiếp rất

u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và

cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng

2.3.3 Động cơ điện kích thích hỗn hợp:

Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song Tác dụng của dây quấnkích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngợc nhau Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng

loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm việc ổn định

Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kíchthich song song và nối tiếp Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơkích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song Tuynhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh nh ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặctính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơkích thích nối tiếp

Từ những đặc tính cơ trên ta thấy rằng động cơ một chiều kích thích nối tiếp và hỗnhợp đáp ứng đợc yêu cầu truyền động Nó có nhng u điểm :

+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều này rất thích hợp tronggiao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn Nhờ vậy chophép làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nên khả năng chịu tảicủa động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên rất thích hợp cho những truyền

động dùng trong nghành giao thông có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng Tuy nhiên ngời tacũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng

mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động

Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông 

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay đổi đợc liên tục &giữ đợc hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lênmạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ Nhng do bình thờng động cơlàm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max), nên chỉ có thể điềuchỉnh theo hớng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn

điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phơng phápnày không thích hợp trong trờng hợp động cơ kéo tải giao thông

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độquay dới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ Phơngpháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:

Tải Chỉnh l u không điều khiển

L2 K

D

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U  mômen ngắn mạch Mnm giảm,dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ

+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là nh nhau

+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn

điện áp điều chỉnh đợc

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng làthích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc

độ định mức nh ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí

3 Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một

chiều.

Nh ở trên đã đề cập, phơng pháp điều chỉnh điện áp đợc lựa chọn trong điều chỉnh tốc

độ động cơ Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ngời ta có thể thay đổi góc mởchậm  nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lu, hoặc thay đổi tần số băm trong trờnghợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều

Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trờng hợp tải của

nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lu tiristor – động cơ một chiều luôn

đi kèm theo việc đa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu

điện kéo tải lớn

Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp.Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạycảm với nhiệt độ và điều kiện môi trờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt

là có kích thớc nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với xe điện di động

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lợc vềcác yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọnthiết bị đáp ứng đợc các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục

1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các xung

điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh đợc Điện áp Utb này đặt vào phần ứng

động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế làkhông đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạnchế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần sốlàm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen

đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì cànggiảm đợc kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy phải cânnhắc để lựa chọn đợc bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz) Thực tế thờngdùng tần số băm khoảng 400Hz  600Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristorhoặc Transistor(Công suất hoặc MOS)

Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khidẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (d-

ới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻhơn,tổn hao ít hơn MOS

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhngTiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor Vì vậy ở những môi tr-ờng làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế

Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khảnăng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng

Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linhkiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay

hở Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với mộttần số đóng cắt nhất định, nâng cao đợc chất lợng điều chỉnh

Ura

t t1 t2

 1 Nguyên lý

Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau

Ura là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằng giátrị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền cácphần tử công suất bằng phơng pháp xung Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần

tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ

2 Phơng pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phơng pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

2.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giá trị trung bình của

điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

U tai=t1 U S

T =ε U S

trong đó đặt: ε= t1

T là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <   1)

2.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor)

Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chấtcảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Đi-ôt mắc ngợc với Ura để thoát dòng tải khikhoá K ngắt

+ K đóng  US đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì Utải = US (nếu bỏ qua sụt áptrên các van trong bộ biến đổi)

1 0

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải Vì từ thông trong L1 không giảm

tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL

1 1

Transistor PNP:

a).Cấu tạo b) Ký hiệu

( b )

C B E

( a )

E B

C

N P P

3.4 Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:

Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US

Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3,  làm việc lệch pha nhaumột góc 2/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc f=f/n

Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời

Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận đợc điện áp ra tải Utải

cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ítthông dụng

4 transistor công suất :

4.1 Cấu tạo :

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp : PNP hay NPN

1 2

( b )

( b ) ( a )

E

IC

B

UBE IE

IC IE

Colector Emiter

C

C E

Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận nh một diode, có điện kháng nhỏ và điện áprơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C đợc phân cực ngợc bởi điện áp UCC Bản chất mối nối B -

C này giống nh một diode phân cực ngợc và điện kháng mối nối B - C rất lớn

Dòng điện đo đợc trong vùng phát gọi là dòng phát IE Dòng điện đo đợc trong mạchcực C ( số lợng điện tích qua đờng biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC ) Dòng IC gồm hai thành phần :

- Thành phần thứ nhất ( Thành phần chính ) là tỷ lệ hạt Electron ở cực phát tới cựcthu Tỷ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số đợc tính trớc

Transistor NPN a) Cấu tạo b) Ký hiệu

1 3

( b ) ( a )

IC

UCE b

a

UCE IC

IC

( b ) ( a )

IC

UCE b

a

UCE IB

IC

Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ).

Vùng tuyến tính

Vùng gần bão hoà Vùng bão hoà

UCE

IC

đối với từng transistor riêng biệt Hằng số đã đợc định nghĩa là  Vậy thành phần chính của dòng IC làIE, thông thờng  = 0,9)I  0,9)I9)I9)I

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ng ợc lại khi IE = 0 Dòng này gọi là dòng ICBO - nó rất nhỏ

- Vậy dòng qua cực thu : IC = .IE + ICBO

*Các thông số của transistor công suất

- IC : Dòng colector mà transistor chịu đợc

- UCEsat : Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hoà

- UCEO : Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0

- UCEX : Điện áp UCE khi badơ bị khoá bởi điện áp âm, IB <0

- ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCEsat  0

- tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0

- tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCEsat tăng đến giá trị điện áp nguồn U

- P : Công suất tiêu tán bên trong transitor Công suất tiêu tán bên trong transistor

đợc tính theo công thức P = UBE.IB + UCE.IC

- Khi transistor ở trạng thái mở : IB = 0, iC = 0, nên P = 0 - Khi transistor ở trạng thái đóng : UCE = UCEsat Trong thực tế transistor công suất thờng đợc cho làm việc ở chế độ khoá : IB = 0, IC = 0, transistor đợc coi nh hở mạch Nhng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà , thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật nh dòng điện góp để tránh hiện tợng chọc thủng thứ cấp

Trạng thái dẫn và trạng thái bị khoá a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I B lớn, I C do tải giới hạn b) Trạng thái hở mạch I B = 0 Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyển mạch Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thong số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc * Đặc tính tĩnh của transistor U CE = f(I C) Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, ng ời ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hoà, tức là IB phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏ nhất ở chế độ bão hoà, điện áp sụt trong transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5 V

4 3 ứng dụng của transistor công suất :

Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cờng độ lớn Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thờng cho làm việc ở chế độ khoá

IB = 0 , IC = 0 : transistor coi nh hở mạch

1 4

(-) (+)

Id

D0

ID0

LC DC

U

E Ud

U U T

T Udt T

nh đã giới thiệu ở mục trên

Dới đây xin giới thiệu một số sơ đồ băm xung áp:

- LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ C

- D0 : Diode hoàn năng lợng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt

Bộ băm nối tiếp là một khoá điện S bằng tiristor đợc điều khiển đóng mở trong

hệ thống một cách chu kỳ Khi S đóng thì điện áp ngõ ra trên tải Ud = U cpnf khi S mở thì

Ud = 0

Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khoá, tụ C đợc nạp đầy với bản cựcdơng ở phía trên nh ghi chú trong hình trên

Cho xung điều khiển kích tiristor VS1 , VS2 mở, dòng điện từ cực dơng của nguồn

U chạy qua VS1 vào phụ tải (R, L, E) rồi trở về cức âm của nguồn U Đồng thời tụ C sẽphóng điện teo vòng : VS1 - LC - DC - C và tụ C đợc nạp điện theo chiều ngợc lại Điện áp

Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng Trong đó :

- Tđg = T là thời gian đóng mạch của VS1

- Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch

-  = Tđg/T là tỷ số đóng của chu kỳ

1 5

Tủg Tng T

Utb

Ud U

t 0

R

E U l

R

E U I

R

E U I

e I e

R

E U

U

E e

R

E I

dg

T T T

R

E e

e R

U I

u dg u dg

T T T T

1 max

u dg u

dg

T ) T T ( max T

) T T (

U

E I

- Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổi thời gian đóng mạch

Tđg của bộ băm Phơng pháp này đợc gọi là phơng pháp điều khiển độ rộng xung

- Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg thay đổi chu kỳ của bộ băm T ( tần sốbiến thiên ) Phơng pháp này đợc gọi là phơng pháp điều tần

Khi  = 0 tức là Tđg ta có Utb = 0, bộ băm thờng xuyên ngắt mạch, n =0

Khi  = 1 tức là Tđg = T ta có Utb = U, bộ băm thờng xuyên đóng mạch, n = nmax Trong hệ thống, thời gian đóng mạch Tđg có thể điều chỉnh tuỳ theo ý muốn nhng

Tđg không thể nhỏ hơn một nửa chu kỳ của mạch dao động LC, tức là phải đảm bảo :

Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud nh sau :

Sơ đồ biểu diễn đồ thị điện áp ngõ ra trên tải U d

Xét quá trình dao động của dòng tải : Trong khoảng thời gian 0< T < Tđg khoá S đóng

điện Điện áp ra trên tải Ud = U , dòng điện tải I tăng từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớnnhất Imax Biểu thức I đợc xác định bằng cách giải phơng trình của mạch điện khi S đóng:

Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là :

Tại thời điểm t =0 thì :

Thay giá trị K1 vào ta đợc :

Lý luận tơng tự, xét trong khoảng thời gian Tđg < t < T, S ngắt điện, điện áp ra trên tải

Ud = 0 thì dòng điện trên tải giảm theo hàm mũ và kh t = T thì đạt giá trị Imin

TdΦg> π √ C L

dΦi dΦt +

R

L i=

U−E L

i=Imin=KΦ1+ U −E

R ⇒ KΦ1=Imin− U −E

R

1 6

R

E e

e R

U I

u dg u dg

T T T T

1 max

U Ud

t 0

T dg Tng T

IS

t 0

ID0

t 0

I

L

D0 +

Nếu Tđg của khoá S giảm nhỏ đến giá trị tới hạ Tđggh thì Imin = 0 Lúc này hệ thống

sẽ làm việc ở biên giới chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn

Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ băm nh sau :

Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp

Trong chế độ dòng điện liên tục vì Tx = T nên ta có Utb = U với 0   1

Đối với tải là động cơ điện một chiều có dòng trung bình của phần ứng là I, sức

điện động E thì ta có : E = Utb – IRử với :

1 7

E

K

RI K

U n

n K

1

M, I n

max = 1

2 3

n1 n2 n3 nmax

U

I

U

E Ud

Id IT

T U

T d

Theo công thức trên họ các đặc tính tốc đọ hay đặc tính cơ điện của động cơ ở chế

độ dòng điện liên tục là một họ các đờng thẳng song songg ứng với các trị số khác nhaucủa 

Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trị Tđg hay  cố định thì đờngbiên liên tục là một nửa đờng elip vẽ bằng các nét đứt Dòng trung bình liên tục Itblt có trị sốlnhơ nhất là Itblt = 0 ứng với n = 0 ( Khi  =0 ) và n = nmax ( Khi  = 1 )

Họ đặc tính cơ điện của hệ thống băm nối tiếp động cơ điện một chiều

Nh vậy, trong hệ thống băm nối tiếp sẽ đảm bảo cho máy điện làm việc ở trạng thái

động cơ Khi S mở thì Ud = U và khi S đóng thì Ud = 0 Vây điện áp và dòng điện trungbình qua động cơ luôn luôn dơng

Hệ thống này sẽ làm việc ở góc phần t thứ nhất của mặt phẳng toạ độU, I

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song.

L : là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho

Giá trị trung bình của điện áp một chiều :

Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn :

1 8

d

T d

dI L RI

d d

d d

Ud

t 0

Ie

t 0

IT

t 0

Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ®iÖn ch¹y qua tiristor :

Ph¬ng tr×nh m¹ch t¶i khi m¸y ®iÖn ë tr¹ng th¸i h·m t¸i sinh :