Chương 1. lý do chọn đề tài Bởi chương trình dạy học định hướng ứng dụng thực hành do đó những học phần tích hợp cả nội dung lý thuyết và thực hành được xây dựng trong khung chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử của trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên. Học phần Điện tử Công Suất là học phần chuyên ngành của sinh viên chuyên ngành Điện tử công nghiệp cũng được xây dựng là học phần tích hợp. -Mạch điều áp xoay chiều được sử dụng trong nhiều thiết bị và ứng dụng khác nhau.
Ví dụ, nó có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của một động cơ xoay chiều, điều áp cho các thiết bị điện gia dụng, hay trong các hệ thống điện tử công suất. - Ngoài ra khi thực hiện đồ án sinh viên sẽ được hướng dẫn về các biện pháp an toàn, bảo vệ sức khỏe khi làm việc với điện, vì điện áp và dòng điện trong ngành công nghệ kỹ thuật điện – điện tử rất cao, do đó an toàn luôn là ưu tiên hàng đầu. Tổng quan về đề tài.1Khái niệm về điện tử công suất: Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bản của ngành Kỹ thuật điện đó là : điện tử,điều khiển và năng lượng điện. Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng cho việc truyền tải và xử lý thông tin.
Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình,phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống. Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện,truyền tải,phân phối và sử dụng điện năng 1.Nhiệm vụ về điện tử công suất Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây: • Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành một chiều (DC-Direct Current):AC- DC. 6 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện • Một chiều thành một chiều: DC-DC. • Một chiều thành xoay chiều: DC-AC.
• Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC. Ứng dụng về điện tử công suất a.Các bộ chỉnh lưu có điều khiển Là loại biến đổi AC-DC được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện một chiều, hệ thống mạ và nạp điện. Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiều Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo. Khi tải hoặc điện áp nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi.
Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi DC-DC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay của động cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định c. Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy. Các bộ điều chỉnh này còn được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều. Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoay chiều có chất lượng không cao nên ít được sử dụng cho các loại tải công suất lớn.
Bộ biến đổi ngược Các bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều có tần số ổn định. Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống năng lượng điện một chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổn định. Biến tần 7 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện Là bộ biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều từ tần số này sang tần số khác. Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều.
Phương pháp nghiên cứu 1. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu: Nhiệm vụ đặt ra: Thiết kế chế tạo mạch điều áp xoay chiều một pha 1. Khảo sát lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến học phần điện tử công suất như: -Giáo trình điện tử cơ bản. -Giáo trình điện tử công suất.
Tham khảo các tài liệu có liên quan đến các linh kiện bán dẫn công xuất như Transistor, Mosfet, IGBT, Diode, Thyristor, GTO, Triac,. Tham khảo một số sơ đồ điều áp xoay chiều trên internet, các anh chị khóa trước đã làm. Thực hiện thực nghiệm Tiến hành tính toán, lắp ráp và khảo sát mạch điều áp xoay chiều một pha từ cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu trên. 8 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện Chương II: Cơ sở lý thuyết 2.Một số van bán dẫn.Giới thiệu về phần tử bán dẫn Triac.
Cấu tạo và ký hiệu Hình 1: Cấu tạo và ký hiệu của triac. Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển. Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp. Có thẻ điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).
Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điểu khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả. *Nguyên lý hoạt động. Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chảy qua: B2 G + + 9 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện + - - - - + Trường hợp MT2 (+), G(+).
Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường. Trường hợp MT2 (-), G(-). Các điện tử từ N2 phóng vào P2. Phần lớn bị trường nội tại EE1 hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J2 khiến choBarie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số(các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng.
Kết quả là một phản ứng dây chuyền thì T’ mở cho dòng chảy qua. Hình 2: Đặc tuyến V-A của triac Triac có đường đặc tính V-A đối xứng nhận góc mở α trong cả hai chiều. 10 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện 2.3Giới thiệu về phần tử bán dẫn Thysistor. Cấu tạo, ký hiệu.
- Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp tiếp xúc J1,J2,J3. - Ký hiệu: A K G P1 N P2 N 1 2 A K G Hình 3: Cấu tạo và ký hiệu của thyristor Nguyên lý làm việc - Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn. Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2. Điện trường Ei của J2 có chiều từ N1 sang P2.
Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó dược đặt điện áp. - Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp Ug tác động vào cực G (dương so với K) các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần điện tử chịu sức hút của điện trường tỏng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc bắn phá J 2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra toàn bộ mặt ghép nên thysistor được mở. 11 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện A P1 N P2 N K R1 Rt + G _E Rt K T + _ R2 E Hình 4: kích mở thysistor Mở thysistor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất. một thysistor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig là không còn cần thiết nữa.
- Khóa Thysistor Có hai cách để khóa thysistor: + Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trì khi thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thysistor rất nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại. + Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược J2 phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về A nốt và về cực âm của nguồn điện ngoài. Lúc đầu của quá trình từ t0 đến t1 dòng điện ngược khá lớn sau đó J1,J2 trở nên cách điện, còn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển.
Thời gian khóa toff tính từ khi bắt 12 Đồ án 2: điện tử công suất và truyền động điện đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2). Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũng khong mở. Trong bất kì trường hợp nào cũng không được đặt T dưới điện áp thuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn. Việc khóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách ấn nút K.
J1 J2 J3 A P1 N P2 N K R R + _E G Rt T K In + _ E Hình 5: Khóa Thysistor Đặc tính vôn-ampe của Thysistor. Hình 6: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor - Đoạn 1: Trạng thái khóa của T. Khi U tăng đến U ch bắt đầu quá trình tăng dòng điện T chuyển sang trạng thái mở.