Luận văn: Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

237
lượt xem 72
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 … l...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

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 LUậN VĂN TốT NGHIệP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Sinh viên thực hiện : TRẦN DŨNG HUỲNH ĐĂNG TUẤN ` Lớp : 95KĐĐ Giáo Viên hướng dẫn : VŨ ĐỖ CƯỜNG
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 7. Joseph Vithayathil POWER ELECTRONICS Principles and Application McGraw-Hill, Inc C.J.SAVANT,Jr MARTIN S.RODEN GORDON L. CARPENTER ELECTRONIC DESIGN
MỤC LỤC Trang LỜI CẢM TẠ. LỜI NÓI ĐẦU. PHẦN DẪN NHẬP. I. Đặt vấn đề. 1 II. Giới hạn vấn đề. 1 III. Mục đích nghiên cứu. PHẦN CƠ SỞ LÝ LUẬN. I. Thể thức nghiên cứu. 2 II. Cơ sở lý luận. 3 PHẦN NỘI DUNG Chương I :GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT. 5 I. Diode. 5 II. Transistor. 7 III. Thyristor. 11 Chương II: KHẢO SÁT PHẦN ĐỘNG LỰC. 15 I. Giới thiệu về động cơ điện một chiều. 15 II. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 18 Chương III: KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG. 20 I. Bộ băm xung một chiều dùng SCR. 20 II. Bộ tạo xung kích cho SCR. 29 Chương IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH. 33 I. Thiết kế mạch. 33 II. Thi công mạch. 40 Chương V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH. 42 I. Thiết kế. 42 II. Thi công. 44 Chương VI: SOẠN BÀI THỰC TẬP. 46 I. Giới thiệu mô hình. 46 II. Các bài thí nghiệm. 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 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.
2n  : tốc độ góc phần ứng. 60 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 : + Hình II.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch kích từ độc lập. n n n0 n0 nđm nđm 0 Mđm Mnm M 0 Iư.đm Iư.nm b. Các phương trình cơ bản : Hình II.2 I Phương Đặc trình đặcvà tính tính cơ ặccơ : tốc tính ộ của ộng cơ iện một chiều kích từ ộc U R lập. n  M K E K E K M  2 Phương trình đặc tính tốc độ : U R n  I K E K E Trong đó : 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 CHIỀU. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ. n U n0 TN n1 Uđm n2 U1 U2 M 0 MC M Boä ñieàu chænh 1 ñieän aùp Hình II.3 Sơ độồtheoiềukiểu Việc điều chỉnh tốc chỉnh nàytốc ộ bằng chỉ cho phépcácgiảm h thay điệnổi iện áphơnặtđiện áp (nhỏ trên áp phần định mức) và chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. ứng. CKT RKT 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 n2 Rư n3 R1 0 Mc M R2 Hình II.4 Theo sơ đồ Sơ trên, ồta cóiều : chỉnh tốc ộ bằng phương pháp thêm iện trở phụ. 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 U _ + n1 n0 M 1 0 MC M Hình II.5 MN Sơ ồ iều CKT chỉnh T tốc RKT ộ ộng cơ bằng phương pháp giảm từ thông. 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 Hình II.6 Sơ ồ iều chỉnh tốc ộ bằng phương pháp rẽ mạch phần ứng. Phương trình đặc tính cơ của phương pháp này : Udm Ru  kRnt nk  M Ke KeKm 2 Rss Với : k Rss  Rnt 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: D.E  E d T It  R Trong đó D = to/T là tỷ số chu kỳ của to bộ băm. Hình III.1 Theo biểu thức trên ta thấy để điều chỉnh được điện áp ra tải có thể thay đổi độc lập to, T hoặc đồng 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 : L L  Ed T R  t gh  ln 1  (e  1) R  E  Nếu thời gian van dẫn thực tế t o< 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 : E b 1 I gh  ( D  a1 . 1 ); R 1  a1 R R .T .t 0 L L a1  e , b1  e 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 : b1  1 Edgh  E.a1 1  a1 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 : D.E  E d It  R Các dạng sóng thể hiện như sau : ut
E 0 to T (T+to) 2T t it Imax Imin 0 t iT Imin 0 t Qui luật biến thiên dòng điện tải it : Giai đoạn từ 0 đến t0 : E  Ed E a1.b1  1 LR .t i1 (t )   e R R 1  a1 Giai đoạn từ t0 đến T: R E 1  b 1  RL t . t 2 (t )   d  e E R 1  a1 Giá trị cực đại dòng tải Imax: E 1  b11 Ed I max  i2 (t  0)  ( ) R 1  a1 R Giá trị cực tiểu dòng điện tải Imin: E a1.b1  a1 Ed I min  i1 (t  0)   R 1  a1 R Độ đập mạch dòng điện tải I: E (1  b11 )(1  a1.b1 ) I  R 1  a1 Trị số trung bình của dòng điện qua điôt: E L(1  b11 )(1  a1.b1 ) Ed t ID   (1  0 ) R TR (1  a1 ) R T
Trị số trung bình dòng điện qua van : E  t0 L (1  b11 )(1  a1.b1 )  t0 .E d IV    .  R  T R.T 1  a1  TR 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: ut E Ed E 0 to T t it in Imax 0 t iT to 0 t Điện áp trung bình ra tải : t0 t Ut  E  Ed (1  n ) T 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  E  Ed  t n  ln 1  (1  b11 ) R  Ed  Dòng điện trung bình qua tải : U  Ed It  t R Quy luật biến thiên dòng điện tải it : Giai đoạn từ 0 đến t0 : R E  Ed  .t .. t1 (t )  (1  e L ) R Giai đoạn từ to đến T (hay đến tn) : R R Ed  .t L E  Ed 1  .t i2 (t )   (1  e )  (1  b1 )e L R R
Giá trị cực đại dòng tải Imax : E  Ed I max  (1  b11 ) R 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 . Hình IIIA Hình IIIb 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 : DT 1 U t   Udt  DU T 0 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 : 1 2 W  Li c 2 Tải trở kháng tích luỹ một năng lượng điện từ : Khi dòng ic tăng trưởng, D2 có thể hoàn trả năng lượng. D2 đấu song song ngược với mạch tải để tạo đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói trên, khi dòng ic giảm. 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 di c L  Ri c  E dt Khi Đ đóng ta có phương trình : di c L  Ri c  0 dt 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). Hình III11 Hình III12 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. Ic Hình III.13 Hình III.14 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