Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang bước vào thế kỷ 21, thế kỷ của những tiến bộ về khoa học kỹ thuật

Sự tiến bộ của kỹ thuật sẽ giúp thay đổi toàn bộ cuộc sống của chúng ta Trong giai đoạn

công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, VIỆT NAM muốn phát triển một cách vững

mạnh thì phải chú trọng đến việc đầu tư cho giáo dục Trong đó, nghành giáo dục cần phải

nâng cao chất lượng lẫn số lượng đào tạo

Muốn nâng cao chất lượng giáo dục đòi hỏi chúng ta phải đầu tư, phát triển các mô

hình dạy học Mô hình dạy học giúp giảm chí phí đào tạo và nâng cao chất lượng giảng

dạy Học sinh có dịp làm quen với các mô hình giống với các hệ thống điều khiển trong

thực tế, do đó có thể rút ngắn được khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế

Do vậy các Trường học nói chung, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói riêng

đang đầu tư, phát triển các công cụ dạy học mang tính chất mô phỏng nhằm giúp cho sinh

viên lĩnh hội kiến thức một cách thấu đáo thông qua phương pháp trực quan Qua đó,

người học có thể phát triển và vận dụng các kiến thức đã học một cách hiệu quả nhất theo

những yêu cầu cụ thể hiện nay trong những khu chế xuất, các nhà máy cũng như trong các

lĩnh vực có liên quan về điện

Để đáp ứng phần nào nhu cầu trên, trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp, nhóm

thực hiện xin tiến hành đề tài : "THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN

TỬ CÔNG SUẤT" Mục đích của đề tài là xây dựng mô hình thí nghiệm giúp sinh viên

hiểu rõ hơn về các linh kiện bán dẫn công suất cũng như các ứng dụng của nó thông qua

việc tiến hành các thí nghiệm trên bộ thí nghiệm này Đồng thời, trên cơ sở mô hình dụng

cụ dạy học, nhóm thực hiện cố gắng xây dựng các bài thực tập để sinh viên cũng cố lại

các bài học lý thuyết Nội dung của mô hình là sử dụng các linh kiện điện tử công suất

như thyristor, diode … làm thay đổi điện áp một chiều để điều khiển tải dùng trong công

suất lớn Trong thực tế kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điều khiển, vấn đề thay đổi điện áp

một chiều là một vấn đề thường gặp Chúng ta cần thay đổi điện áp để điều khiển tốc độ

động cơ một chiều, điều khiển độ sáng của đèn điện v.v… Khi nắm được các ứng dụng

trên, sinh viên sẽ thấy được tầm quan trọng trong bài học để có thể vận dụng chúng vào

thực tiễn sau khi học xong

Với sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn Vũ Đỗ Cường, Nhóm thực hiện cố gắng

thực hiện tốt nhiệm vụ được giao Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, thời gian và kinh

phí thực hiện còn quá hạn hẹp nên nhóm thực hiện sẽ không tránh khỏi những nhầm lẫn

và thiếu sót, kính mong được sự góp ý của quý thầy cô cũng như các bạn sinh viên để đề

tài hoàn thiện hơn

PHẦN DẪN NHẬP

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Như chúng ta đã biết, lĩnh vực Giáo Dục và Đào Tạo nói chung, Đào Tạo Kỹ Thuật

nói riêng, chất lượng đào tạo là vấn đề hàng đầu trong xu thế phát triển hiện nay Ngoài

ra loài người đang bước sang niên kỷ mới chắc chắn cần thiết sản phẩm đào tạo có nhiều

chất xám Muốn được vậy, Ngành Đào Tạo cần phải đầu tư những thiết bị dạy học, mô

hình dạy học phù hợp cho từng đối tượng đào tạo

Đứng trước những yêu cầu thực tiễn trên, Nhóm sinh viên chúng em xin thực hiện đề

tài mô hình dạy học :’’BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ’’

Mục đích của Nhóm thực hiện là xây dựng dụng cụ dạy học ,bài học thực tập cho

sinh viên của Khoa Điện Qua đó giúp cho sinh viên hiểu rỏ về các linh kiện điện tử công

suất và các ứng dụng của nó

II GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Với đề tài mang tính thực tiễn ,vấn đề thực hiện việc thiết kế ,thi công và xây dựng

mô hình cũng như bài thực tập của nhóm hoàn chỉnh thật sự có những ứng dụng rộng rãi

trong các Trường Kỹ Thuật Đó là điều mà nhóm thực hiện mong muốn đạt được

Tuy nhiên thời gian, kiến thức có hạn cũng như những hạn chế khách quan khác nên

đề tài không đi sâu điều khiển động cơ một chiều bằng tất cả các phương pháp mà chỉ tập

trung điều khiển động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp Đồng thời xây dụng một mô

hình dạy học sao cho vừa an toàn vừa đảm bảo đúng phương pháp sư phạm kỹ thuật

Tóm lại nội dung thực hiện bao gồm ;

 Khảo sát mạch điều khiển điện áp bằng cách thay đổi độ rộng xung

 Thiết kế và thi công mạch điều khiển điện áp một chiều bằng phương pháp

thay đổi biến đổi độ rộng xung

 Thiết kế và thi công mô hình dạy học, xây dựng các bài thực tập dựa trên mô

hình

Ngoài ra nhóm thực hiên chưa thực hiện mô hình điều khiển cho một đối tượng tải

bất kỳ bằng vòng kín để nâng hiệu quả trong ứng dụng thực tế

III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Việc vận dụng môn điện tử ứng dụng để điều chỉnh bằng phương pháp trên cho

động cơ một chiều là vấn đề không còn mới mẻ nhưng tính mới mẻ của đề tài được thể

hiện ở chổ :

XÂY DỰNG ĐƯỢC MÔ HÌNH DẠY HỌC SỬ DỤNG CÁC LINH KIỆN BÁN

DẪN CÔNG SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC QUAN GIÚP CHO SINH VIÊN

KHOA ĐIỆN THÍ NGHIỆM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Bính

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội năm 1996

2 Phạm Quốc Hải

Dương Văn Nghi

PHÂN TÍCH VÀ GIẢI MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật

3 Nguyễn Việt Hùng

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ

Khoa Điện – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Năm 1998

4 Bùi Đình Tiếu

Nguyễn Trọng Thuần

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ, ĐIỆN TỬ VÀ BÁN

DẪN TRONG MÁY SẢN XUẤT

Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật

5 Raymond M.Marston

Người Dịch : Ngô Đức Hoàng

110 MẠCH ỨNG DỤNG 0P –AMP

Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1990

6 R.H.Warring

SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHO NGƯỜI THIẾT KẾ MẠCH

Nhà Xuất Bản Thống Kê

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM TẠ

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN DẪN NHẬP

III Mục đích nghiên cứu

PHẦN CƠ SỞ LÝ LUẬN

PHẦN NỘI DUNG

Chương I :GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT 5

I Giới thiệu về động cơ điện một chiều 15

II Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một

Chương III: KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BẰNG

Chương VI : SOẠN BÀI THỰC TẬP 46

KẾT LUẬN

MỤC LỤC

I Thể thức nghiên cứu :

1 Thời gian nghiên cứu:

Quá trình nghiên cứu đề tài được xem là một qui trình công nghệ hẳn hoi vì đòi hỏi

phải tiến hành theo các khâu kế tiếp nhau bao gồm việc chọn đề tài, biên soạn đề cương, thu

thập dữ kiện, xử lý dữ kiện, viết công trình nghiên cứu

Luận văn tốt nghiệp được tiến hành thực hiện trong khoảng thời gian là 6 tuần :

Tuần 1 : Chọn đề tài, chính xác hóa đề tài, soạn đề cương, thu thập kiện và tài

liệu liên hệ

Tuần 2 : Biên soạn nội dung phần lý thuyết

Tuần 3 : Thiết kế mạch trên giấy và tiến hành thi công, thử mạch

Tuần 4 : Thiết kế bàn thực tập

Tuần 5 : Soạn bài thực tập cho mô hình đã thiết kế

Tuần 6 : Hoàn chỉnh mô hình, hoàn thiện phần lý thuyết để in ấn và nộp luận văn

2 Phương pháp thu thập dữ kiện :

Đây là giai đoạn quan trọng, sử dụng các phương pháp và phương tiện nghiên cứu để

thu thập các dữ kiện về đề tài đã xác định Dữ kiện đã thu thập được sẽ là chất liệu để hình

thành công trình thực hiện đề tài Vấn đề là làm sao thu thập được dữ kiện đầy đủ, chính xác,

và phù hợp với nội dung nghiên cứu

Trong phạm vi luận văn này người nghiên cứu sử dụng phương pháp tham khảo tài liệu

để thu thập dữ kiện giải quyết đề tài Việc tham khảo tài liệu giúp người thực hiện bổ sung

thêm kiến thức, lý luận cũng như phương pháp mà những công trình nghiên cứu trước đó đã

xây dựng Nhờ đó người nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề còn tồn tại Tuy nhiên việc

nghiên cứu tham khảo tài liệu luôn bảo đảm tính kế thừa và phát triển có chọn lọc

3 Xử lý dữ kiện :

Các dữ kiện sau khi được thu thập chưa thể sử dụng được ngay mà phải qua quá trình

sàng lọc, sửa chữa, phân tích khái quát thành lý luận Tài liệu được sử dụng là những tài liệu

có chất lượng cao chủ yếu là tài liệu gốc nên bảo đảm chính xác về nội dung đề cập

4 Trình bày đồ án :

Đề tài tốt nghiệp được trình bày theo cấu trúc một tập đồ án tốt nghiệp để phù hợp với

nội dung và thời gian nghiên cứu đồng thời đáp ứng đúng yêu cầu về chương trình đào tạo

của trường

Trình bày thành văn công trình nghiên cứu khoa học là giai đoạn hoàn thành nghiên

cứu, do đó không được xem đó là quá trình kỹ thuật mà là một quá trình sáng tạo sâu sắc

Chính việc nắm vững bút pháp trong nghiên cứu khoa học giúp người nghiên cứu làm sáng tỏ

thêm những kết quả đạt được, phát triển chúng và có thêm những kiến thức mới

II Cơ sở lý luận :

Đồ án tốt nghiệp thực chất là một quá trình nghiên cứu khoa học - quá trình nhận thức

và hành động Quá trình này đòi hỏi phải có thời gian nhất định tương xứng với nội dung của

đối tượng nghiên cứu và tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu

Việc nghiên cứu khoa học giúp ta tìm ra cái mới Cái mới ở đây không những mang tính

chủ quan của người nghiên cứu mà còn mang tính khách quan đối với xã hội Nghiên cứu

khoa học phải nhằm mục đích phục vụ xã hội, đáp ứng yêu cầu thực tiễn

Hoạt động ngiên cứu khoa học muốn đạt kết quả tốt phải hội đủ các yếu tố :

Phương tiện, phương pháp, cơ sở vật chất, máy móc thiết bị, hình thức tổ chức Các yếu

tố này có mối quan hệ hữu cơ và phù hợp với đối tượng nghiên cứu

CÁC CƠ SỞ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 Kiến thức và năng lực người nghiên cứu :

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài người nghiên cứu cần phải cân nhắc kỹ

độ khó và độ phức tạp của đề tài sao cho phù hợp với khả năng, kiến thức và năng lực của

người nghiên cứu

Độ phức tạp của đề tài thể hiện ở các mặt : lĩnh vực nghiên cứu rộng hay hẹp, ở một

ngành hay liên ngành, đối tượng nghiên cứu là đồng nhất hay không đồng nhất Tuy nhiên

cần lưu ý rằng giá trị của đề tài không phụ thuộc vào độ phức tạp của nó Đề tài hẹp chưa

hẳn là đề tài kém giá trị Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có một phạm vi nhất định, phạm vi

này càng hẹp thì sự nghiên cứu càng sâu Độ khó của đề tài nói lên tính vừa sức đối với

người nghiên cứu Do đó độ phức tạp của đề tài thường có mối liên hệ tương hổ với độ khó

của nó

Kiến thức của người nghiên cứu (đây là điều kiện chủ quan ở người nghiên cứu) Trước

hết đó là vốn liếng, kinh nghiệm của người nghiên cứu

Giáo sư Hà Văn Tấn đã nhận xét : “Trình độ học sinh, sinh viên hiện nay không cho

phép họ ngay từ đầu chọn được đề tài nghiên cứu Vì vậy phải có sự gợi ý của thầy cô

giáo….” Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có những yêu cầu nhất định của nó Người nghiên

cứu cần nắm vững nội dung, phương pháp nghiên cứu phù hợp với đề tài, nói khác đi đề tài

nghiên cứu phải mang tính vừa sức

Người nghiên cứu phải thể hiện năng lực nghiên cứu khoa học bao gồm việc nắm vững

lý thuyết cơ bản của khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu của mình, nắm được mức độ nhất

định về sự phát triển và tiến bộ thuộc lĩnh vực nghiên cứu Có như thế mới chọn được đề tài

có giá trị Trong tình hình tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay trên thế giới, khối lượng

thông tin khoa học gia tăng với qui mô lớn và nhịp độ nhanh đòi hỏi người nghiên cứu phải

tham khảo tài liệu nước ngoài Để thực hiện được vấn đề này người nghiên cứu người nghiên

cứu khoa học cần có số vốn ngoại ngữ nhất định

Thể hiện lòng ham mê khoa học và quyết tâm nghiên cứu tìm tòi chân lý

2 Vấn đề thực tiễn :

Người nghiên cứu phải coi thực tiễn làm cơ sở, là động lực của nhận thức Ang - ghen

viết : “Khi xã hội có những yêu cầu kỹ thuật thì xã hội thúc đẩy khoa học hơn mười trường

đại học” Mặt khác thực tiễn cũng là tiêu chuẩn để kiểm tra nhận thức

Thực tế là những sự việc có thật, những tình hình cụ thể, những vấn đề đã hoặc chưa

được giải quyết trong cuộc sống Người nghiên cứu với kinh nghiệm bản thân trong công tác

hàng ngày thường thấy được các mặt của vấn đề, các mối quan hệ phức tạp, các diễn biến,

phương hướng phát triển của sự vật từ đó có định hướng thích hợp giải quyết đề tài

Chính thực tiễn giúp người nghiên cứu tìm thấy vấn đề một cách cụ thể Người nghiên

cứu phải xem thực tiễn cao hơn nhận thức ( lý luận ) vì nó có ưu điểm không những có tính

phổ biến mà còn có tính hiện thực trực tiếp.Hồ Chủ Tịch cũng đã dạy : “Học tập thì theo

nguyên tắt: kinh nghiệm và thực tiễn phải đi cùng nhau”

Đề tài thực hiện mang tính thực tiễn, nội dung của đề tàilà có thật, phát triển từ thực tế

khách quan

Có thể nói hầu như mọi công trình nghiên cứu điều có giá trị thực tế của nó, chỉ khác

nhau ở mức độ ít nhiều, phục vụ trước mắt hay lâu dài, gián tiếp hay trực tiếp

3 Tác động của điều kiện khách quan đến việc thực hiện đề tài:

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài người nghiên cứu là yếu tố chủ quan góp

phần quan trọng đến kết quả còn đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu kể cả

phương tiện ngiên cứu, thời gian nghiên cứu cùng những người cộng tác nghiên cứu và người

hướng dẫn nghiên cứu là những điều kiện khách quan ảnh hưởng trực tiếp đến việc nghiên

cứu và kết quả nghiên cứu Người nghiên cứu càng nắm chắc các yếu tố khách quan đó bao

nhiêu thì kết quả nghiên cứu càng được khẳng định bấy nhiêu

CHƯƠNG II : KHẢO SÁT PHẦN ĐỘNG LỰC

I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong thời đại ngày nay, hầu hết các dây chuyền sản xuất đang dần dần được tự động hóa

bằng cách áp dụng các kỹ thuật tiên tiến của khoa học kỹ thuật Tuy thế, động cơ điện một

chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng Nó có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì

vậy máy được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ

như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…

1 Cấu tạo :

Động cơ điện một chiều gồm hai phần : Phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)

Phần tĩnh là phần đứng yên của máy Nó thường bao gồm các bộ phận sau :

– Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường chính trong vỏ máy, 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 thép cacbon dày 0,5  1 mm ép chặt lại với nhau

– Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều giúp cho

máy điện làm việc không có tia lửa xảy ra giữa chổi điện và vành đổi chiều Lõi

thép cực từ cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt

dây quấn

– Gông từ : dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

– Các bộ phận khác như Nắp máy để bảo vệ, Cơ cấu chổi than

Phần quay gồm có những bộ phận sau :

– Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày

0,5 mm được phủ lớp cách điện và ghép chặt lại với nhau

– Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây

quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

– Các bộ phận khác như cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy, trục máy để đặt

lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều :

Động cơ điện một chiều là một thiết bị biến đổi năng lượng của dòng một chiều thành cơ

năng Trong quá trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoay chiều bị tiêu tán do

các tổn thất trong mạch phần ứng và trong mạch kích thích Phần còn lại là năng lượng được

biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ

Khi cho dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ

sinh ra từ trường ở phần tĩnh Từ trường này tác dụng tương hỗ lên dòng điện trong dây quấn

phần ứng tạo ra momen tác dụng lên rotor và làm rotor quay Nhờ có vành đổi chiều nên

dòng điện một chiều được chỉnh lưu thành dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng Điều

này làm lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều và làm động cơ

nđm nđm

M K K

R K

quay theo một hướng

Công suất ứng với momen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng

: Pđt = M = EưIư

Trong đó : M : momen điện từ

60

2 n

  : tốc độ góc phần ứng

Iư : dòng điện phần ứng.

Eư : suất điện động phần ứng

3 Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa hai thông số : tốc độ quay của trục và

momen do động cơ sinh ra trong quá trình làm việc ở trạng thái định mức Đặc tính cơ cho

phép ta đánh giá khả năng chịu tải cũng như nắm được khả năng làm việc của động cơ khi

dùng để truyền tải Đặc tính tốc độ (I) thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc với dòng điện

trong mạch chính của nó Đặc tính tốc độ cho phép ta đánh giá khả năng chịu tải của động cơ

qua dòng điện của nó

a Sơ đồ cơ bản và các đặc tính của nó :

n n

n0 n0

0 Mđm Mnm M 0 Iư.đm Iư.nm

b Các phương trình cơ bản :

Phương trình đặc tính cơ :

I Hình II.2

Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc

RpưM

Bộ điều chỉnh điện áp

n : tốc độ quay của động cơ

U : điện áp đặt vào động cơ

R : tổng trở trên phần ứng

I : dòng điện chạy trong phần ứng

M : momen của động cơ

 : từ thông dưới một cực từ chính

KE : hệ số suất điện động phụ thuộc vào cấu tạo

KM : hệ số momen của động cơ

II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

Việc điều chỉnh tốc độ theo kiểu này chỉ cho phép giảm điện áp (nhỏ hơn điện áp định

mức) và chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức

Uđm > U1 > U2

n0 > n1 > n2

Phương pháp điều chỉnh này có phạm vi điều chỉnh D = 10/1 Ưu điểm của phương pháp

này là giữ nguyên đặc tính của đường đặc tính cơ

2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách đưa thêm điện trở phụ vào phần ứng

n

n0

RKT M

K1 K2 K3

R K

U n

0 Mc M

Theo sơ đồ trên, ta có : Rư < R1 < R2 n0 > n1 > n2 > n3 Khi điện trở phụ R càng lớn thì độ cứng của đường đặc tính cơ càng giảm và ngược lại Phương pháp này chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản vì chỉ thêm điện trở vào chứ không giảm nhỏ hơn Rư được Đồng thời, phương pháp này cho tốc độ điều chỉnh nhảy cấp, mức độ nhảy cấp phụ thuộc vào số cấp khởi động 3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông  n

n1

n0

0 MC M

Với phương pháp này, ta chỉ có thể giảm từ thông do trong thiết kế Ikt gần định mức,  gần ở bảo hoà Nếu tăng Ikt ,  cũng không tăng bao nhiêu Nhưng khi giảm Ikt ,  giảm rất nhiều Khi giảm từ thông thấp hơn giá trị định mức, tốc độ động cơ tăng lớn hơn tốc độ cơ bản đm > 1 > 2 ncb < n1 < n2 Khi giảm từ thông, tốc độ tăng lên rất cao và tốc độ này có thể làm hỏng động cơ, nên thông thường người ta chỉ cho phép ncb = 3nđm 4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng n

ncb

n1 TN Rẽ mạch phần ứng

Rf = Rnt

0 Mc M

MN

Hình II.5

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông

Hình II.4

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở phụ

_

RKT CKT T

M

1

RKT

M

CKT

Rss Rnt

1

Hình II.6

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp rẽ mạch phần ứng

Phương trình đặc tính cơ của phương pháp này :

M KeKm

kRnt Ru Ke

Udm k

Rss k





Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản, tổn

thất năng lượng thấp và điều chỉnh tốc độ nhảy cấp

CHƯƠNG III KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG

I Bộ băm điện áp một chiều

1 Giơi thiệu

Bộ băm xung một chiều có thể coi như là bộ biến đổi DC/DC mà điện áp biến đổi được

đảm nhận bằng các linh kiện bán dẫn công suất Nhiệm vụ chính của nó là thay đổi điện áp

ra theo yêu cầu điều chỉnh hoặc ổn định điện áp ra tải Băm xung một chiều được sử dụng

nhiều trong các thiết bị như động cơ điện một chiều, các bộ phận nung đốt bằng diện trở, các

cơ cấu điện từ, mạch ổn áp dải rộng Van thích hợp với băm xung một chiều là các loại mà

điều khiển được cả quá trình mở và khoá van, do đó thường dùng Transistor (lưởng cực,

MOSFET, IGBT) Khi cần công suất ra tải lớn (dòng điện và điện áp cao) ta phải dùng đến

Tiristor Vì Tiristor là một linh kiện bán dẫn công suất có thể chịu được dòng điện qua nó rất

lớn và cho phép điện áp ngược đặt lên nó khá cao

Để mạch băm xung hoạt động thì các phần tử đóng vai trò là van đóng mở phải được

điều khiển bằng các xung kích trong thời gian thích hợp Trong hầu hết các linh kiện đóng mở

bán dẫn công suất, việc đóng cắt được thực hiện bằng cách đưa tín hiệu thích hợp vào chân

điều khiển Đối với thyristor thì điều này không thể thực hiện được vì cực cổng chỉ có tác

dụng trong việc kích mở thyristor mà thôi Để tắt thyristor khi đã dẫn trong nguồn DC, ta phải

thêm vào các phần tử chuyển mạch để có được các diều kiện tắt là đặt điện áp ngược trên hai

đầu thyristor hoặc làm cho dòng chạy qua nó bị triệt tiêu

Bộ băm xung một chiều có thể chia thành ba loại cơ bản :

– Bộ băm có van mắc song song tải còn điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu song

song)

– Bộ băm đảo dòng

Hai loại băm này có ưu điểm là cho điện áp ra trên tải lớn hơn điện áp nguồn nhưng nó

không thích hợp với tải có công suất lớn nên ít được sử dụng

– Bộ băm có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu nối tiếp)

Bộ băm này chỉ cho điện áp ra nhỏ hơn điện áp nguồn nhưng có ưu điểm sử dụng được

cho tải có công suất cao, do đó nó thông dụng hơn

Trong phạm vi cuốn đồ án này, người thực hiện chỉ đề cập đến bộ băm có van mắc nối

tiếp với tải Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc đóng – ngắt tải với nguồn theo chu kỳ :

trong một chu kỳ T (hình aa), khoảng thời gian to cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng

ra tải, trong khoảng thời gian còn lại (T-to) van hở, làm điện áp trên tải bằng không Do đó

điện áp trung bình một chiều ra tải là:

R

E E D

Theo biểu thức trên ta thấy để điều chỉnh được điện áp ra tải có thể thay đổi độc lập to,

T hoặc đồøng thời cả hai tham số này, thông dụng nhất là phương pháp thay đổi to trong khi

giữ chu kỳ Tcố định Như vậy từ điện áp nguồn không đổi và liên tục, bằng cách “băm” nó ra

thành các xung, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra

Để thiết kế hay khảo sát một bộ băm xung, người ta thường quan tâm đến các chế độ

dòng điện Theo nguyên lý hoạt động, trong khoảng thời gian van khóa, nguồn bị ngắt khỏi

tải, tuy nhiên do tải có tính điện cảm nên dòng điện tải vẫn tiếp tục chảy quẩn qua điôt D2

nhờ năng lượng tích lũy ở điện cảm này Căn cứ vào các tham số R, L, Ed (sức điện động bên

trong tải) và khoảng thời gian ngắt nguồn (T-to) mà dòng điện tải có thể tồn tại đến khi van

dẫn trở lại (gọi là chế độ dòng điện liên tục ) hoặc sẽ tắt trước đó (chế độ dòng điện gián

đoạn)

Để biết được mạch hiện có đang làm việc ở chế độ dòng điện nào cần dựa theo một

trong các điều kiện giới hạn giữa hai chế độ này như sau :

a Theo thời gian van dẫn tgh :

E

E R

L t

Nếu thời gian van dẫn thực tế to< tgh, thì dòng điện gián đoạn, ngược lại to> tgh, dòng

điện sẽ liên tục

b Theo trị số trung bình dòng điện tải giới hạn Igh :

0

1 1

1

1 1

,

);

1

1 (

t L

R T

L R gh

e b e a

a

b a D R

E I

Nếu dòng thực của tải It < Igh, dòng điện là gián đoạn còn It > Igh, dòng điện là liên tục

c Theo trị số của sức điện động Ed :

1

1 1

1

1

a

b a E

Edgh







Nếu Ed > Edgh thì dòng điện gián đoạn

Nếu Ed < Edgh thì dòng điện liên tục

Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện liên tục :

Điện áp trung bình ra tải :

Ut = D.E

Dòng điện trung bình qua tải :

E E D

Qui luật biến thiên dòng điện tải it :

Giai đoạn từ 0 đến t0 :

t L R d

e a

b a R

E R

E E t

1

1 1 1

1

1 )

1

1 2

1

1 )

R d

e a

b R

E E

R t

1 ) 0 (

1

1 1 2

max

R

E a

b R

E t

a b a R

E t

min

1

)

0 (

Độ đập mạch dòng điện tải I:

1

1 1 1 1

1

) 1 )(

1 (

a

b a b

R

E I

1 (

) 1 )(

1

1

1 1 1 1

T

t R

E a

TR

b a b

L R

b a b

T R

L T

t R

E

V

.1

).1)(

1(

0 1

1 1 1 1 0

Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện gián đoạn :

Đồ thị làm việc của chế độ này như hình vẽ sau đây:

Điện áp trung bình ra tải :

)1(

0

T

t E E T

t

d

t   

Trong đó tn là khoảng thời gian dòng điện tải còn tiếp tục chảy kể từ khi ngắt nguồn E

khỏi tải và được xác định theo biểu thức sau:

L t

d

d n

Dòng điện trung bình qua tải :

R

E U

t





Quy luật biến thiên dòng điện tải it :

Giai đoạn từ 0 đến t0 :

) 1

( )

1

t L R d

e R

E E t

Giai đoạn từ to đến T (hay đến tn) :

t L R d

t L R d

e b R

E E e

R

E t

i2( )   ( 1   .)   ( 1  11)  .

Giá trị cực đại dòng tải Imax :

)1( 11

giá trị dòng điện cực tiểu Imin tất nhiên bằng không

2 Giới thiệu bộ băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp

Hình III.6

a Vai trò của các linh kiện trong mạch (hình III.6) :

S1 là SCR chính có nhiệm vụ nối hoặc ngắt nguồn với tải

XK1 : mạch kích cho SCR1

S2 là SCR phụ, tham gia vào việc ngắt (khoá) S1

XK2 : mạch kích cho SCR2

LC làm nhiệm vụ dao động, D1 ngăn dòng điện ngược, D2 bảo vệ cho mạch khi S1

ngắt

b Nguyên lý hoạt động của mạch :

Giả sử các SCR (S1, S2) đều lý tưởng và các linh kiện trong mạch không có tổn hao

Khi nguồn một chiều E đã được cấp, trạng thái ban đầu : S1 và S2 đều bị khoá (tức chưa có

xung kích ở cực cổng) thì không có bất kỳ một dòng điện nào chạy qua tải Để mạch hoạt

động một cách hợp lý thì đầu tiên cho tụ C nạp bàng cách cho xung điều khiển vào cực cổng

của S2, lúc này mạch điện hình III.6 tương đương như hình III.a : tụ điện C sẽ được nạp theo

đường E_ Rt _ C _ S2 _E và dòng ic giảm dần theo hàm mũ từ giá trị đầu E/Rt

Sau một khoảng thời gian, tụ C được nạp tới điện áp E của nguồn, nhưng thực tế khi dòng

điện tải giảm dưới mức duy trì của S2 thì dòng điện ngưng

Khi có xung điều khiển vào cực cổng của S1, làm S1 đóng mạch như hình III.b, lúc này

tụ C phóng điện qua S1 - L –D1 – C và được nạp ngược lại Điện áp trên tụ tăng dần theo

chiều ngược lại và cuối cùng, diện áp trên nó sẽ là uc = -E do có sự xuất hiện dao động LC

Dao động LC trong mạch sẽ nạp vào tụ C và nó chỉ kéo dài trong một nửa chu kỳ (vì D1 ngăn

dòng điện ngược)

Lúc này nếu cho xung để mở S2, thì S1 sẽ chịu điện áp ngược uc = -E làm S1 ngưng dẫn

(trạng thái chuyển từ hình III.b hình III.a)

Gọi chu kỳ băm là T: T = T1+T2 Thời gian đóng mạch của S1 là T1 : T1 = T

Thời gian ngắt mạch của S1 là T2 =T –T1 và tỷ số chu kỳ là D = T1/T

Gía trị trung bình của điện áp tải :

DU Udt T U

DT

t   

0

1

Bằng cách làm biến đổi tỷ số chu kỳ D (trong khi giữ cho tần số không đổi T=const) ta

có thể điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp một chiều đặt trên tải

 Trường hợp tải là R+L :

2 2

1

c Li

Lúc đầu dòng tải ic = 0, dòng ic được xác lập dần dần Qua một vài chu kỳ dòng ic sẽ

biến động giữa hai giá trị I1 và I2

E i

I2

E I1

0 T1 T2

pha quá độ t 0 T t

Ký hiệu bộ băm điện áp là: Đ

E Ri

Còn khi Đ mở ta có :

3 Giới thiệu về việc băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng dòng điện

Hình IIIC

a Chức năng của các phần tử trong mạch :

Hình trên thể hiện mạch băm xung dùng SCR có phần tắt cưỡng bức Ngõ vào là điện

áp DC kí hiệu là E, điện trở tải là Rt Phần tử đóng mở chính của mạch là S1 và việc kích

mở nó được thực hiện bởi xung kích XK1 Để khoá cho S1, ta dùng mạch khoá cưỡng bức

bằng gồm năm phần tử mắc vào hai đầu anode và cathode của S1 Trong đó hai diode D1, D2

và R đóng vai trò hổ trợ trong việc chuyển mạch, hai phần tử chuyển mạch là L và C tạo

thành mạch dao động và S2 là SCR phụ mà việc kích mở nó được thực hiện bằng xung kích

XK2 Diode D3 làm nhiệm vụ bảo vệ cho tải khi S1 ngắt

b Nguyên lý hoạt động của mạch :

Trước hết ta giả sử rằng các SCR S1, S2 và các diode D1, D2 không dẫn điện, có nghĩa

là không có dòng điện qua tải Trong khoảng thời gian này, tụ điện C được nạp đến giá trị

điện áp Vco thông qua điện trở R (hình III11)

Sau khi tụ C được nạp đầy, ta có thể đưa xung kích vào S1 để nối tải với nguồn và sơ đồ

mạch điện có thể vẽ lại như hình III.12 Lúc này điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị đã

được nạp và điện áp trên tải là E

Nếu muốn khoá SCR S1, ta đưa xung kích vào S2 Lúc này tụ điện C sẽ phóng điện qua

S2, L và về lại C và mạch điện có thể vẽ lại như hình III.13 Dòng ic xã qua cuộn cảm L tạo

nên sự dao động Nữa chu kỳ đầu, dòng dao động này chạy qua S2 và nạp ngược lại cho tụ C

Đến nữa chu kỳ sau, khi tụ đã nạp đầy theo chiều ngược lại như hình III.14, S2 ngắt và dòng

bắt đầu chạy ngược lại qua S1 Khi dòng qua S1 bị triệt tiêu, thì S1 ngắt và dòng tiếp tục chạy

qua diode D2 mắc song song ngược chiều với S1 để duy trì thời gian tắt cho S1 và mạch được

vẽ lại như hình III15 Sau khi S1 và S2 đều ngắt thì dòng dao động sẽ chạy qua diode D1

xuống mass như ở hình III16 và tụ điện bắt đầu nạp ngược lại như giá trị ban đầu, bắt đầu

cho chu kỳ tiếp theo

Ic

II Bộ tạo xung kích cho SCR :

1 Nhiệm vụ của mạch tạo xung kích

Như ta đã biết, SCR khi đã dẫn thì không thể tắt được bằng xung kích mà cần phải có

một bộ phận làm cho nó tắt Bộ phận này phải thoả mãn một trong các yêu cầu tắt của SCR

Như đã khảo sát ở phần trên, bộ băm xung một chiều dùng hai linh kiện SCR, một con chính

để nối tải với nguồn và một con phụ để làm tắt nó Do vậy, mạch tạo xung kích cho SCR phải

tạo được hai xung kích và các xung kích này đủ lớn để đảm bảo kích mở được SCR Đồng

thời, thời gian xuất hiện giữa hai xung kích này có thể điều chỉnh được và dạng sóng trên tải

phụ thuộc vào hai xung kích này

2 Sơ đồ khối :

Bộ phận tạo sóng tam giác nhằm mục đích làm tín hiệu so sánh cho bộ tạo xung vuông có

độ rộng thay đổi được Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn

ổn, một đi thẳng đến mạch đơn ổn khác để hình thành hai xung kích Xung đi ra từ hai mạch

đơn ổn được trộn với xung có tần số cao do bộ dao động đưa đến Bộ dao động tần số cao có

chức năng tăng khả năng kích cho các xung kích, đảm bảo kích được các SCR Sau đó, các

xung này được đưa ra bộ phận xuất xung điều khiển đi đến cực cổng của SCR

3 sơ đồ mạch điện :

TRANG : 33

Hình III.18

TRANG : 34

4 Nguyên lý hoạt động của mạch :

Đầu tiên, bộ dao động tạo sóng tam giác do hai IC 741a và 741b đảm nhận Bộ dao động

này tạo ra tần số chủ yếu cho bộ băm xung một chiều Tần số sóng tam giác do R1, R2,

R3

và C1 quyết định Sóng tam giác này được đưa đến ngõ vào đảo của 741c, còn ngõ vào

không đảo được nối ra chân giữa của biến trở VR Xung vuông ở ngõ ra có thể thay đổi

được độ rộng xung khi thay đổi biến trở VR do thay đổi mức so sánh với sóng tam giác

Xung vuông này được chia làm hai đường : đường thứ nhất đi qua một cổng đảo và đường

còn lại đi qua hai cổng đảo để sửa dạng xung rồi đi đến hai ngỏ kích của mạch đơn ổn để

tạo ra xung có độ rộng xung không thay đổi Độ rộng xung của mạch đơn ổn có thể đặt

trước sao cho nó đủ để kích SCR Mạch đơn ổn do hai IC AN555a và AN555b thực hiện

Ngõ ra của chúng sẽ được trộn với mạch dao động tần số cao thực hiện bởi IC AN555c để

cho xung kích là một tập hợp của một chùm xung, làm tăng khả năng kích cho SCR Các

xung này sẽ được đưa qua OPTO nhằm cách ly mạch tạo xung kích với ngyuồn điện thế

cao khi đưa vào cực cổng của SCR

uv (ngỏ vào chân số 3)

TRANG : 35

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

MẠCH

I THIẾT KẾ MẠCH :

1 Thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch băm xung một chiều

Để tính toán các giá trị cho mạch băm xung một chiều, trước hết ta cần có các số

liệu ban đầu như sau:

Khoảng điện áp điều chỉnh được từ 30V  300V

Tỷ số chu kỳ nhỏ nhất là :

Dmin = 30/300 = 0.1 Chu kỳ của bộ băm là :

T = Ton/D = 500/0.1 = 5000s

Và tần số lớn nhất có thể được của bộ băm là :

f = 1/T = (1/5000).106 = 200Hz

Dựa trên những thông số chọn ở trên, và để cho mạch hoạt động tốt thì các thông

số của mạch băm được tính toán như sau :

a Thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp

Như đã khảo sát ở chương III, ta có sơ đồ mạch băm xung một chiều tắt cưỡng bức

bằng điện áp như hình III.4 :

Đầu tiên để chọn tụ điện, ta nhận thấy rằng theo dạng sóng điện áp của us1, thời

gian khoá của SCR S1 nằm ở giữa khoảng tăng theo hàm mũ từ –E đến +E Với mạch dao

động L – C, tại thời điểm t = 0, bắt đầu khoá S1, ta có :

us1 = E + Ae-t/T Trong đó : T = RC là thời hằng nạp xả của tụ điện

Với us1 = -E ở t = 0, do đó A = -2E Từ đó suy ra :

us1 = E –2Ee-t/T Khi us1 = 0 thì t = thời gian khóa của S1 = 60s, do đó :

us1 = 300 – 2.(300)e-(60.10-6)/T = 0 Suy ra :

T = 87s Trong mạch dao động R – C, ta lại có :

T = RC