Đồ án: Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Tổng quan đồ án ứng dụng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Trình bày cơ sở lý thuyết, sơ đồ và phương pháp điều khiển.

• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Nghiên cứu về điện tử công suất và ứng dụng của điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
• Loại tài liệu: Đề tài

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Điều chỉnh Tốc độ Động cơ Một Chiều

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là một ứng dụng quan trọng trong công nghiệp hiện đại, cho phép kiểm soát chính xác tốc độ quay của động cơ DC. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, máy công cụ và thiết bị công nghiệp. Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách điều khiển dòng điện cung cấp cho motor. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất ngày càng được cải tiến để đạt hiệu suất cao hơn và đáng tin cậy hơn. Việc sử dụng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ giúp tiết kiệm năng lượng, giảm phát sinh nhiệt và cải thiện tuổi thọ thiết bị.

1.1. Tầm quan trọng của điều chỉnh tốc độ

Điều chỉnh tốc độ động cơ DC không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng. Trong các ngành công nghiệp, từ dệt may đến chế biến thực phẩm, sự kiểm soát chính xác tốc độ là yêu cầu bắt buộc. Công suất tiêu thụ có thể được giảm đáng kể khi tốc độ động cơ được điều chỉnh phù hợp với tải thực tế.

1.2. Vai trò của điện tử công suất

Linh kiện bán dẫn như diode, thyristor và transistor công suất là những thành phần cơ bản trong mạch điều chỉnh tốc độ. Chúng cho phép điều khiển dòng điện một cách hiệu quả, chuyển đổi điện áp AC thành DC hoặc điều chỉnh mức điện áp cung cấp cho động cơ một chiều.

II. Nguyên Lý Hoạt Động của Diode Công Suất

Diode công suất là linh kiện bán dẫn hai cực được cấu tạo từ lớp bán dẫn N và lớp bán dẫn P ghép lại với nhau. Nguyên lý hoạt động của diode dựa trên tính chất của mặt ghép PN và sự di chuyển của điện tích trong cấu trúc bán dẫn. Khi diode được phân cực thuận, điện trường ngoài hạ thấp barie điện thế (khoảng 0,7V đối với vật liệu Silic), cho phép dòng điện chạy tự do qua mạch. Ngược lại, khi diode được phân cực ngược, điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của điện tích đa số, chỉ cho phép dòng điện rò nhỏ chạy qua. Đặc tính này làm cho diode công suất trở thành một công tắc điện tử lý tưởng.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý bán dẫn

Bán dẫn loại N được tạo bằng cách掺入nguyên tố nhóm V vào Silic, tạo ra điện tử tự do. Bán dẫn loại P được tạo từ nguyên tố nhóm III, tạo ra lỗ trống. Tại mặt ghép PN, xảy ra hiện tượng khuếch tán, hình thành điện trường nội tại Ei từ N sang P. Barie điện thế này ngăn cản điện tích đa số nhưng thuận lợi cho điện tích thiểu số.

2.2. Đặc tính volt ampe của diode

Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn bằng công thức: I = IS [ exp (eU/kT) – 1 ]. Nhánh thuận thể hiện dòng điện tăng theo hàm mũ khi điện áp vượt quá 0,1V. Nhánh ngược cho thấy dòng điện rò IS ổn định cho đến khi đạt điện áp đánh thủng UZ, nơi xảy ra hiện tượng va chạm dây chuyền.

III. Ứng Dụng Điện Tử Công Suất trong Điều Chỉnh Tốc Độ

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng điện tử công suất thông qua các mạch chuyển đổi như mạch tổn nối (chopper) hoặc mạch chỉnh lưu điều khiển. Diode công suất được sử dụng để chỉnh lưu điện áp AC, chuyển đổi thành điện áp DC cần thiết cho động cơ DC. Bằng cách điều khiển dòng điện vào cuộn dây từ động cơ, tốc độ quay có thể được điều chỉnh mịn từ 0 đến tốc độ tối đa. Thyristor và transistor công suất cho phép điều khiển điện áp một cách chính xác thông qua xung điều khiển PWM (Pulse Width Modulation). Phương pháp này tiết kiệm năng lượng tối ưu vì chỉ cung cấp công suất đúng bằng nhu cầu của động cơ.

3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển

Mạch chỉnh lưu điều khiển sử dụng thyristor để điều chỉnh điện áp DC đầu ra từ điện áp AC nguồn. Bằng cách thay đổi góc kích tác (firing angle) của thyristor, điện áp trung bình cung cấp cho động cơ DC có thể được điều chỉnh liên tục. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất cao.

3.2. Mạch chuyển đổi chopper

Mạch chopper sử dụng transistor công suất hoặc IGBT để điều khiển dòng điện DC bằng xung điều khiển. Tỉ lệ thời gian bật-tắt (duty cycle) của transistor quyết định điện áp trung bình cung cấp cho động cơ. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ nhanh chóng và hiệu suất rất cao.

IV. Yêu Cầu Kỹ Thuật và Tản Nhiệt cho Linh Kiện

Khi diode công suất hoạt động, chúng phát sinh nhiệt chủ yếu tại vùng chuyển tiếp do dòng điện chạy qua. Đối với diode Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 200°C; vượt quá ngưỡng này linh kiện sẽ bị phá hỏng. Do đó, tản nhiệt là yêu cầu quan trọng trong thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ. Hiệu suất của mạch điều chỉnh phụ thuộc vào việc tản nhiệt hiệu quả. Linh kiện bán dẫn cần được bảo vệ khỏi quá tải và quá nhiệt bằng các biện pháp quản lý nhiệt độ. Việc sử dụng quạt gió, cánh tản nhiệt kim loại, hoặc nước/dầu làm mát tùy theo dòng điện qua linh kiện giúp duy trì nhiệt độ hoạt động trong giới hạn an toàn.

4.1. Phương pháp tản nhiệt

Tản nhiệt bắt buộc sử dụng quạt gió để thổi mát cánh tản nhiệt gắn trên diode công suất. Đối với dòng điện lớn, nước hoặc dầu được tuần hoàn qua cánh tản nhiệt để tỏa nhiệt hiệu quả hơn. Cánh tản nhiệt càng lớn và tốc độ lưu thông chất lỏng càng cao thì hiệu suất tản nhiệt càng tốt.

4.2. Bảo vệ linh kiện bán dẫn

Điện áp hoạt động của diode công suất phải được giữ trong khoảng U = (0,7 ÷ 0,8)UZ để tránh đánh thủng. Các mạch bảo vệ như diode tự do, varistor hay tụ điện được sử dụng để hạn chế xung áp và bảo vệ linh kiện. Kiểm tra định kỳ nhiệt độ của bộ tản nhiệt giúp phát hiện sớm sự cố.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Hình 1. Cấu tạo của diode. Ký hiệu của diode. Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại.

Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện.

Do điện tử có điện tích âm nên chất này được gọi là chất bán dẫn loại N (negative), có nghĩa là âm. Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3 nguyên tử thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất này được gọi là chất bán dẫn loại P (positive), có nghĩa là dương.

Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu số. Với chất bán dẫn loại P thì ngược lại. Ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN. Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch tán.

Các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống. Các điện tử của bán dẫn loại N chạy sang P là nơi có ít điện tử. Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về diện tích dương và giàu lên về điện tích âm. Còn phía bán dẫn loại N thì ngược lại nên gọi là vùng điện tích không gian dương.

Trong vùng chuyển tiếp (-) hình thành một điện trường nội tại. Ký hiệu là Ei và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7V đối với vật liệu là Silic). Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số (điện tử của vùng P và lổ trống của vùng N). Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò.

2 Nguyên lý hoạt động: Ei Ei P N P N U U + - - + (a) (b) Hình 1. Sự phân cực thuận diode. Sự phân cực ngược diode. Khi đặt diode công suất dưới điện áp nguồn U có cực tính như hình vẽ, chiều của điện trường ngoài ngược chiều với điện trường nội E i.

Thông thường U > Ei thì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên diode khoảng 0,7V khi dòng điện là định mức. Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế. Ta nói mặt ghép PN được phân cực thuận. Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường ngoài sẽ tác động cùng chiều với điện trường nội tại Ei.

Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điện tích đa số. Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dương nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN. Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngược.

Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích được gia tốc, gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đánh thủng. Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức sau: I = IS [ exp (eU/kT) – 1 ] ( 1. 1 ) Trong đó: - IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA - e = 1,59.10- 23 : Hằng số Bolzmann - T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K) - t0 : Nhiệt độ của môi trường (0 C) - U : Điện áp đặt trên diode (V) I 1 UZ U U 2 Hình 1. 3 Đặc tính volt-ampe của diode.

Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh: 1. Nhánh thuận 2. Nhánh ngược Khi diode được phân cực thuận dưới điện áp U thì barie điện thế E i giảm xuống gần bằng 0. Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn khoảng 0,1V thì I tăng một cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ.

Tương tự, khi phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược cũng tăng từ từ. Khi U lớn hơn khoảng 0,1V dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục mA và được ký hiệu là IS. Dòng IS là do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên. Nếu tiếp tục tăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động năng của chúng tăng lên.

Khi U  = UZ thì sự va chạm giữa các điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gảy được các liên kết nguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự do mới. Rồi những điện tích tự do mới này chịu sự tăng tốc của điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Silic. Kết quả tạo một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ào ạt và sẽ phá hỏng diode. Do đó, để bảo vệ diode người ta chỉ cho chúng hoạt động với giá trị điện áp: U = (0,7  0,8)UZ.

Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu ở tại vùng chuyển tiếp. Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 2000C. Vượt quá nhiệt độ này diode có thể bị phá hỏng. Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện.

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode làø: - Dòng điện định mức Iđm (A) - Điện áp ngược cực đại Ungmax ( V ) - Điện áp rơi trên diode U ( V ) I. 3 Ứng dụng: Ứng dụng chủ yếu của diode công suất là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải. Các bộ chỉnh lưu của diode được chia thành hai nhóm chính: - Chỉnh lưu bán kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu nửa sóng. - Chỉnh lưu toàn kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng.

TRANSISTOR CÔNG SUẤT: II. 1 Cấu tạo: Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN. 4 Transistor PNP: Hình 1. Ký hiệu Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu.

Vùng nền (B) rất mỏng. Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau: IC C B C UCE IB UBE E E B IE Hình(1. 2 Nguyên lý hoạt động: E C N pP  Emiter  p   N Colecto   r   E C  IE Base IC IE - + - +  Hình 1. 7 Sơ RđồE phân cực UEEtransistor.

UCC RC Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử (electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1 electron được giữ lại ở vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát. Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp U CC.

Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường 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 tỉ lệ của hạt electron ở cực phát tới cực thu.

Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định nghĩa là . Vậy thành phần chính của dòng IC là IE. Thông thường  = 0,9  0,999.

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược 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 colectơ mà transistor chịu được.

- UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa. - UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0. - UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa 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 transistor. Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.

- 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 thường được cho làm việc ở chế độ khóa: IB = 0, IC = 0, transistor được coi như hở mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hòa, 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 hòa 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 khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp. IC a IC b IC UCE  UCE (a) (b) Hình 1.

8 Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa a). Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn. Trạng thái hở mạch IB = 0.