Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp, việc điều khiển và điều chỉnh tốc độ động cơ điện là một yếu tố kỹ thuật có tính quyết định. Quá trình điều chỉnh tốc độ cho phép vận hành động cơ ở chế độ tối ưu, đáp ứng chính xác các yêu cầu về thông số công nghệ và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, nguồn năng lượng điện phổ biến trong mạng lưới công nghiệp là dòng điện xoay chiều (AC) với tần số cố định (50Hz/60Hz), trong khi nhiều thiết bị công nghiệp và hệ thống giao thông (như hệ thống xe điện ngầm, xe điện chạy ắc quy) lại đòi hỏi nguồn điện một chiều (DC) có khả năng thay đổi trơn và liên tục điện áp lẫn dòng điện.

Ở giai đoạn kỹ thuật trước đó, việc thay đổi điện áp một chiều chủ yếu dựa vào các phương pháp cơ điện truyền thống như điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc sử dụng hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ). Các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế về tổn hao năng lượng lớn, kích thước cồng kềnh, độ phản ứng chậm và chi phí bảo trì cao. Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất, đặc biệt là Thyristor (SCR), từ thập niên 1960 đã mở ra giải pháp xây dựng các bộ biến đổi tĩnh không tiếp điểm với hiệu suất cao, tác động nhanh và dễ tự động hóa.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Điện và Điện tử với tiêu đề "Nghiên cứu điện tử công suất và ứng dụng điện tử công suất trong truyền động điện - Động cơ điện" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Đặng Thị Mỹ Trang và Trần Lâm Tùng, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Dư Xứng tại Khoa Điện, Bộ môn Điện và Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ nghiên cứu được giao vào ngày 18/04/1994 và hoàn thành vào tháng 06/1994 (thời gian thực hiện 10 tuần).

Mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan và khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý vật lý, đặc tính tĩnh và động của các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản: Diode, Transistor lưỡng cực (BJT), Thyristor (SCR) cùng các linh kiện phát triển mới trong họ Thyristor (ASCR, RCT, GTO).
  2. Khảo sát nguyên lý, phân tích dạng sóng và thiết lập hệ phương trình toán học giải tích cho hệ thống chỉnh lưu điều khiển ba pha (sơ đồ hình tia và sơ đồ hình cầu) cấp nguồn cho động cơ điện một chiều.
  3. Nghiên cứu nguyên lý điều khiển xung áp một chiều (DC Chopper Drives), phân loại các cấu hình mạch động lực bốn góc phần tư, phân tích các giải pháp chuyển mạch cưỡng bức (chuyển mạch điện áp, chuyển mạch dòng, chuyển mạch nối tiếp) và thiết kế mạch lọc sóng hài ngõ vào.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Các linh kiện điện tử công suất bán dẫn và các cấu hình bộ biến đổi (chỉnh lưu pha có điều khiển, bộ băm xung áp một chiều) kết nối với động cơ điện một chiều.
  • Phạm vi: Nghiên cứu lý thuyết giải tích, mô hình hóa toán học các quá trình điện từ xác lập và quá độ trong mạch lực của hệ truyền động điện một chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của công trình dựa trên vật lý chất bán dẫn, lý thuyết mạch điện tử công suất và lý thuyết truyền động điện tự động. Các khái niệm nền tảng bao gồm:

  • Hiện tượng tiếp giáp P-N, cơ chế khuếch tán và trôi của hạt tải điện đa số/thiểu số, hiệu ứng đánh thủng thác lũ và hiệu ứng Zener.
  • Nguyên lý điều khiển góc kích pha $\alpha$ trong các bộ chỉnh lưu phụ thuộc lưới.
  • Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế tần số (FM) trong các bộ biến đổi DC-DC.
  • Phương trình vi phân mạch phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả áp dụng là phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kết hợp giải tích toán học:

  • Xây dựng sơ đồ tương đương và sơ đồ đẳng trị mạch lực của máy biến áp, van bán dẫn và động cơ điện.
  • Ứng dụng định luật Kirchhoff và biến đổi Euler để giải các phương trình vi phân bậc hai mô tả quá trình dao động quá độ $R-L-C$ trong các mạch chuyển mạch cưỡng bức.
  • Thiết lập phương trình cân bằng điện áp và sức điện động để xác định phương trình đặc tính cơ - tốc độ $n = f(M)$ ở chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn.

Nguồn dữ liệu tham khảo của đề tài bao gồm các giáo trình và tài liệu học thuật chuyên ngành: Điện tử công suất lớn ứng dụng Thyristor và Điện tử công suất của Nguyễn Bính (NXB Giáo dục, 1993); Cơ sở truyền động điện tự động (Tập I, II - 1989) của Bùi Đình Tiếu; Giáo trình truyền động điện tự động (1989) của Nguyễn Dư Xứng; Giáo trình điện tử trung cấp của Nguyễn Hiền Phương; tài liệu Thyristor DC Drives của P.C. Sen; và Electronic Devices and Circuits của Millman - Halkias.

Nội dung chính theo từng chương

Bản thuyết minh của đồ án được kết cấu thành 2 phần chính với 5 chương chuyên đề:

TẬP LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP (1994)

Phần I: Nghiên cứu và khảo sát các linh kiện bán dẫn trong điện tử công suất

Chương 1: Giới thiệu linh kiện bán dẫn Diode

Chương này khảo sát cấu tạo và tính chất tiếp giáp P-N. Khi ghép hai khối bán dẫn loại P và loại N, do sự chênh lệch mật độ hạt tải ($N_n \gg N_p$ và $P_p \gg P_n$), các hạt tải đa số khuếch tán qua tiếp giáp tạo nên dòng khuếch tán:

$$I_{kt} = -e \cdot D \cdot \frac{dn}{dx}$$

Tại mặt tiếp giáp, các ion mang điện tích trái dấu hình thành điện trường tiếp xúc $E$ hướng từ N sang P với hiệu điện thế $U_{tx}$, cản trở sự khuếch tán tiếp tục.

Khi phân cực nghịch ($U_p$ nối cực dương vào N, cực âm vào P), điện trường ngoài cùng chiều với $E$, làm tăng rào cản hạt đa số và chỉ cho phép hạt thiểu số đi qua tạo nên dòng ngược bão hòa $I_{co}$. Dòng $I_{co}$ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ (tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng $10^\circ\text{C}$ đối với Ge và tăng $5 \div 6^\circ\text{C}$ đối với Si).

Khi phân cực thuận ($U_p > U_{tx}$), điện trường tiếp xúc bị triệt tiêu, tạo dòng thuận chạy từ P sang N. Dòng điện qua diode tuân theo quy luật nhiệt độ với điện thế nhiệt $V_T = \frac{k \cdot T}{q} = 26\text{ mV}$ ở $300\text{ K}$ ($27^\circ\text{C}$), và giảm $2\text{ mV}$ khi nhiệt độ tăng $10^\circ\text{C}$.

Về phân loại và ứng dụng:

  • Diode tiếp mặt: Dùng cho mạch công suất lớn.
  • Diode tiếp điểm: Dùng ở dải tần số cao.
  • Diode chỉnh lưu: Phổ biến là loại Silicium, tiêu biểu như 1N4001 ($1\text{ A}, 50\text{ V}$) và 1N4007 ($1\text{ A}, 1000\text{ V}$).
  • Diode tách sóng: Hoạt động ở tần số từ vài kHz đến hàng trăm MHz, thường dùng Ge do có điện áp ngưỡng thấp hơn Si.
  • Diode Zener: Ứng dụng vùng đánh thủng điện áp ngược không đổi $U_Z$ để ổn áp và tạo nguồn áp chuẩn (ví dụ linh kiện 1N754 có $U_Z = 6,8\text{ V}$).

Chương 2: Giới thiệu và khảo sát linh kiện bán dẫn Transistor

Tác giả phân tích ưu điểm của transistor bán dẫn so với đèn điện tử chân không thời kỳ trước: kích thước thu nhỏ, công suất tiêu thụ giảm từ hàng chục lần đến hàng trăm lần, tuổi thọ làm việc đạt khoảng 70.000 giờ (so với 5.000 giờ của đèn điện tử).

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn tạo thành 2 tiếp giáp P-N (loại PNP hoặc NPN). Hoạt động ở chế độ khuếch đại yêu cầu tiếp giáp phát (E-B) phân cực thuận và tiếp giáp thu (C-B) phân cực nghịch. Dòng điện trong linh kiện thỏa mãn phương trình nút:

$$I_E = I_B + I_C$$

Do cực gốc (Base) được chế tạo rất mỏng với mật độ tạp chất thấp, hầu hết hạt tải từ Emitter khuếch tán sang Collector dưới tác dụng của điện trường nguồn $V_{CB}$:

$$I_C = \alpha \cdot I_E + I_{co}$$

Với hệ số truyền đạt dòng điện $\alpha \approx 0,99$, dòng cực gốc $I_B \approx 0,01 \cdot I_E$.

Chương này trình bày chi tiết ba cấu hình mắc mạch và họ đặc tuyến tĩnh tương ứng:

  • Sơ đồ Base chung (B chung): Đặc tuyến ra $I_C = f(V_{CB})$ với tham số $I_E$; đặc tuyến vào $I_E = f(V_{EB})$.
  • Sơ đồ Emitter chung (E chung): Cấu hình có độ tuyến tính cao nhất; đặc tuyến ra $I_C = f(V_{CE})$ với tham số $I_B$; điện áp bão hòa $V_{CEsat} = 0,1\text{ V}$ (Ge) và $0,3\text{ V}$ (Si).
  • Sơ đồ Collector chung (C chung): Đặc tuyến vào $I_B = f(U_{BC})$; điện áp phân cực $U_{BE}$ xấp xỉ $0,7\text{ V}$ (Si) và $0,3\text{ V}$ (Ge).

Chương 3: Nghiên cứu và khảo sát Thyristor trong điện tử công suất

Thyristor (SCR - Silicon Controlled Rectifier) gồm 4 lớp bán dẫn P-N-P-N với 3 cực: Anode (A), Cathode (K) và Cổng điều khiển (Gate - G). Mô hình tương đương gồm 2 transistor PNP ($T_1$) và NPN ($T_2$) ghép liên hoàn. Dòng điện qua mặt tiếp giáp trung tâm $J_2$ được xác định:

$$I_{J2} = \alpha_1 I_A + \alpha_2 I_A + I_0 = I_A \implies I_A = \frac{I_0}{1 - (\alpha_1 + \alpha_2)}$$

Khi chưa có dòng kích cổng ($I_G = 0$), $\alpha_1 + \alpha_2 \ll 1$, dòng rò $I_A \approx I_0$, SCR ở trạng thái khóa. Khi cấp dòng kích $I_G > 0$, tổng $\alpha_1 + \alpha_2 \to 1$, dòng $I_A$ tăng vọt, điện áp rơi $V_{AK}$ sụt xuống khoảng $0,7 \div 1\text{ V}$, SCR chuyển sang trạng thái dẫn bão hòa và duy trì trạng thái này nếu dòng tải lớn hơn dòng duy trì $I_H$ (Holding current).

Các thông số kỹ thuật đặc trưng của Thyristor:

  • Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận tối đa cho phép: $\frac{dv}{dt} = \frac{0,63 \cdot V_{thuan}}{t_r}$.
  • Thời gian mở ($t_{on}$) trong khoảng vài $\mu\text{s}$; thời gian tắt ($t_{off}$) trong khoảng vài chục $\mu\text{s}$.
  • Khả năng chịu dòng từ $250\text{ mA}$ đến hàng nghìn Ampe; điện áp chịu đựng từ $25\text{ V}$ đến $2600\text{ V}$; hiệu suất chuyển đổi đạt khoảng 95%.
  • Yêu cầu đối với mạch kích xung điều khiển: Độ rộng xung tối thiểu $\tau_x \ge 5\mu\text{s}$; độ dốc sườn trước của xung $\frac{di}{dt} \ge 0,1\text{ A}/\mu\text{s}$ để đảm bảo mở đồng thời các SCR ghép nối tiếp/song song.

Các kỹ thuật chuyển mạch cưỡng bức (khóa SCR trong mạch DC) được phân tích qua phương trình vi phân dao động $R-L-C$:

$$L \frac{d^2 i}{dt^2} + R \frac{di}{dt} + \frac{1}{C} i = 0$$

Dòng điện phóng ngược từ tụ điện làm dòng qua SCR triệt tiêu:

$$i(t) = \frac{V_s(0) - V_c(0)}{\omega_d L} e^{-\xi \omega_n t} \sin(\omega_d t)$$

Đồ án cũng giới thiệu các linh kiện biến thể hiện đại trong họ Thyristor:

  • ASCR (Asymmetric Thyristor): Thiết kế giảm khả năng chịu áp ngược xuống còn $20 \div 30\text{ V}$ để tối ưu hóa thời gian phục hồi khóa, nâng điện áp thuận định mức lên $400 \div 2000\text{ V}$ và tần số làm việc đạt tới $20\text{ kHz}$.
  • RCT (Reverse Conducting Thyristor): Tích hợp nguyên khối một diode ngược song song với cấu trúc ASCR trên cùng một phiến silic đơn thể, loại bỏ điện cảm ký sinh và đơn giản hóa khâu tản nhiệt.
  • GTO (Gate Turn-Off Thyristor): Cho phép khóa van bằng cách cấp một xung dòng âm vào cực cổng để hút điện tích thừa từ vùng Base. GTO chịu được điện áp đỉnh lên đến $2500\text{ V}$, dòng trung bình định mức $800\text{ A}$, hệ số dòng khóa $\frac{I_A}{I_{GQ}} = 3 \div 5$.

Phần II: Ứng dụng điện tử công suất trong truyền động điện - Động cơ điện

Chương 1: Hệ thống chỉnh lưu - Động cơ điện

Chương này xây dựng mô hình toán học giải tích cho hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển ba pha cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Thông số / Đại lượng Chỉnh lưu ba pha hình tia Chỉnh lưu ba pha hình cầu
Số xung trong một chu kỳ ($m$) $m = 3$ $m = 6$
Quy luật kích xung Kích lần lượt cách nhau $120^\circ$ điện Kích đồng thời 2 van, dịch pha $60^\circ$ điện ($T_1 \div T_6$)
Sức điện động không tải lý tưởng ($E_{d0}$) $E_{d0} = \frac{3\sqrt{6}}{2\pi} E_{2f} \approx 1,17 E_{2f}$ $E_{d0} = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} E_{2f} \approx 2,34 E_{2f}$
Sức điện động có điều khiển ($E_d$) $E_d = E_{d0} \cos\alpha$ $E_d = E_{d0} \cos\alpha$
Tổn thất điện áp trên van ($\Delta U_v$) $\Delta U_v = \Delta U_{tia} \approx 0,8 \div 1\text{ V}$ $\Delta U_{v.cau} = 2 \Delta U_{tia}$
Sụt áp do điện trở máy biến áp ($\Delta U_R$) $\Delta U_R = R_{BA} \cdot I_d$ $\Delta U_{R.cau} = 2 R_{BA} \cdot I_d$
Sụt áp do quá trình chuyển mạch ($\Delta U_X$) $\Delta U_X = \frac{m}{2\pi} X_{BA} I_d = 0,478 X_{BA} I_d$ $\Delta U_{X.cau} = \frac{m}{\pi} X_{BA} I_d = 0,955 X_{BA} I_d$

Phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ của hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia:

$$n_D = \frac{E_{d0} \cos\alpha - \Delta U_v}{K_E \Phi_D} - \frac{R_{BA} + 0,478 X_{BA} + R_{uD} + R_{DK}}{K_E K_M \Phi_D^2} M$$

Phương trình đặc tính tốc độ và đặc tính cơ của hệ thống chỉnh lưu ba pha hình cầu:

$$n_D = \frac{E_{d0} \cos\alpha - 2\Delta U_v}{K_E \Phi_D} - \frac{2 R_{BA} + 0,955 X_{BA} + R_{uD} + R_{DK}}{K_E K_M \Phi_D^2} M$$

Trong đó $R_{uD}$ là điện trở phần ứng động cơ, $R_{DK}$ là điện trở cuộn kháng san bằng, $\Phi_D$ là từ thông kích từ.

Tác giả chỉ rõ: Khi phụ tải giảm nhỏ ($M_c \to 0$), hệ thống chuyển sang chế độ dòng điện gián đoạn. Tốc độ không tải thực tế tăng vọt so với tốc độ không tải lý tưởng $n_0 = \frac{E_{d0}\cos\alpha - \Delta U_v}{K_E\Phi_D}$. Biên giới giữa vùng dòng liên tục và gián đoạn được xác định qua trị số dòng điện giới hạn:

$$I_{d.gh} = \frac{E_{d0} \sin\alpha}{2 \omega L_u} \left[ 1 - \frac{\alpha}{\sin\alpha} \cot\left(\frac{\pi}{m}\right) \right]$$

Chương 2: Điều khiển xung áp một chiều (DC Chopper Drives)

Chương này khảo sát bộ biến đổi trực tiếp DC sang DC. Điện áp trung bình trên tải được điều khiển qua hệ số lấp đầy $\alpha$:

$$E_0 = E \cdot \frac{t_{on}}{t_{on} + t_{off}} = \alpha \cdot E \quad \left(\text{với } \alpha = \frac{t_{on}}{T}\right)$$

Tác giả phân tích hai nguyên lý điều khiển:

  1. Biến điệu độ rộng xung (PWM): Tần số đóng cắt $f = \frac{1}{T} = \text{const}$, thay đổi thời gian dẫn $t_{on}$. Phương pháp này được đánh giá tối ưu do tránh được hiện tượng cộng hưởng và đơn giản hóa khâu thiết kế mạch lọc.
  2. Biến điệu tần số (FM): Giữ cố định $t_{on}$ hoặc $t_{off}$, thay đổi chu kỳ $T$. Nhược điểm là dải tần biến thiên rộng gây khó khăn cho việc lọc sóng hài và dễ rơi vào vùng dòng điện gián đoạn ở dải điện áp thấp.

Đối với cấu hình bộ băm song song (Step-up Chopper), năng lượng tích lũy trong cuộn cảm $L$ trong thời gian $t_{on}$ được giải phóng lên tải trong thời gian $t_{off}$, cho phép nâng áp ngõ ra:

$$E_0 = E \cdot \frac{T}{T - t_{on}} = E \cdot \frac{1}{1 - \alpha} \quad (E < E_0 < \infty)$$

Bốn góc phần tư làm việc của mạch động lực Chopper được tổng hợp:

  • Góc phần tư thứ I ($E_0 > 0, I_0 > 0$): Chế độ động cơ quay thuận, năng lượng truyền từ nguồn đến tải.
  • Góc phần tư thứ II ($E_0 > 0, I_0 < 0$): Chế độ hãm tái sinh (trả năng lượng về nguồn cung cấp).
  • Góc phần tư thứ III & IV: Chế độ đảo chiều quay và hãm ngược của động cơ DC.

Phương pháp tính chọn thông số phần tử chuyển mạch cưỡng bức cho Chopper:

  • Mạch chuyển mạch điện áp: Tụ chuyển mạch được tính chọn theo dòng cực đại và thời gian phục hồi của SCR:

$$C = \frac{I_{0max}(t_{off} + \Delta t)}{E}$$

Cuộn cảm chuyển mạch được giới hạn để điện áp tải nhỏ nhất không vượt quá $10% E$:

$$L = \frac{0,01 \cdot T^2}{\pi^2 C}$$

  • Mạch chuyển mạch dòng:

$$L = \frac{3 E (t_{off} + \Delta t)}{4\pi I_{0max}}, \quad C = \frac{3 I_{0max}(t_{off} + \Delta t)}{\pi E}$$

  • Mạch chuyển mạch nối tiếp (sử dụng 4 Thyristor chuyển mạch luân phiên): Tần số làm việc cực đại đạt:

$$f_{max} = \frac{I_0}{2 E C}$$

Để triệt tiêu sóng hài dòng điện sinh ra do quá trình đóng cắt xung vuông, tác giả thiết lập mạch lọc ngõ vào $L-C$. Biên độ dòng sóng hài bậc $n$ chạy vào nguồn được xác định:

$$I_n = \frac{I_{ch}}{4\pi^2 f_{ch}^2 L C - 1}$$

Để giảm biên độ sóng hài ngõ vào, các giải pháp kỹ thuật bao gồm tăng tần số đóng cắt $f_{ch}$, tăng giá trị điện cảm $L$ và điện dung $C$, hoặc giảm biên độ dòng băm $I_{ch}$.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các nội dung chuyên môn và mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Hệ thống hóa toàn diện các phần tử bán dẫn công suất: Khảo sát đầy đủ thông số làm việc từ các linh kiện kinh điển (Diode chỉnh lưu 1N4001, 1N4007; Diode Zener 1N754; BJT) đến linh kiện đóng cắt có điều khiển Thyristor và các cấu trúc phát triển mới (ASCR làm việc ở tần số $20\text{ kHz}$; RCT triệt tiêu điện cảm ký sinh; GTO chịu dòng $800\text{ A}$, áp $2500\text{ V}$).
  2. Thiết lập hoàn chỉnh mô hình giải tích mạch chỉnh lưu ba pha: Xây dựng tường minh phương trình đặc tính cơ - tốc độ $n = f(M)$ có tính đến đầy đủ sụt áp trên van bán dẫn ($\Delta U_v$), tổn thất điện trở thuần cuộn dây biến áp ($R_{BA}$) và sụt áp do quá trình chuyển mạch pha ($0,478 X_{BA}$ cho sơ đồ tia và $0,955 X_{BA}$ cho sơ đồ cầu).
  3. Phân tích toán học các chế độ làm việc của bộ biến đổi Chopper: Chứng minh quan hệ điện áp ngõ ra cho các cấu hình hạ áp ($E_0 = \alpha E$) và nâng áp ($E_0 = \frac{E}{1-\alpha}$); thiết lập công thức tính toán giải tích để lựa chọn dung lượng tụ $C$ và cuộn cảm $L$ trong các mạch khóa cưỡng bức Thyristor; xây dựng biểu thức tính toán suy giảm sóng hài $I_n$ cho mạch lọc ngõ vào $L-C$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án là công trình nghiên cứu thiên về mặt lý thuyết và tính toán giải tích mạch điện. Các kết quả phân tích dạng sóng và phương trình đặc tính cơ chưa được đối chứng qua mô phỏng số (như phần mềm SPICE/MATLAB) hoặc kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử phần cứng và động cơ thực tế tại phòng thí nghiệm. Mạch điều khiển tạo xung kích mới dừng lại ở việc nêu yêu cầu kỹ thuật và sơ đồ khối nguyên lý tương tự, chưa đi sâu thiết kế chi tiết mạch phần cứng điều khiển số.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển phát xung kích góc $\alpha$ và xung PWM ứng dụng các vi mạch chuyên dụng hoặc vi xử lý; tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm mạch động lực bộ băm xung áp một chiều kết hợp động cơ DC để đo đạc và kiểm chứng các phương trình đặc tính cơ và dạng sóng hài.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tư liệu học thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất, Tự động hóa và Truyền động điện tham khảo cấu trúc phân tích toán học các bộ biến đổi tĩnh.
  • Người làm đề tài nghiên cứu về truyền động điện một chiều cần tài liệu tính toán chi tiết tổn hao chuyển mạch, thông số máy biến áp và phương pháp chọn linh kiện chuyển mạch cưỡng bức $L-C$ cho Thyristor trong mạch DC.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch chỉnh lưu ba pha hình cầu có ưu thế gì về điện áp ngõ ra so với sơ đồ hình tia?
Sơ đồ hình cầu có số xung đập mạch $m = 6$, cho sức điện động không tải lý tưởng $E_{d0} = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} E_{2f} \approx 2,34 E_{2f}$, gấp đôi so với sơ đồ hình tia ($E_{d0} \approx 1,17 E_{2f}$), đồng thời tần số đập mạch cao hơn giúp giảm kích thước cuộn kháng san bằng.

2. Tại sao phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) được ưu tiên hơn phương pháp điều tần (FM) trong bộ băm DC Chopper?
Phương pháp PWM giữ cố định tần số đóng cắt ($f = \text{const}$), giúp việc thiết kế mạch lọc sóng hài ngõ vào $L-C$ dễ dàng và đạt hiệu quả cao hơn, tránh nguy cơ tần số giảm quá thấp gây gián đoạn dòng điện tải ở dải điện áp ra nhỏ như ở phương pháp điều tần.

3. Điều kiện về xung điều khiển kích mở Thyristor được văn bản xác định như thế nào?
Xung kích cổng SCR phải đảm bảo: độ rộng xung tối thiểu $\tau_x \ge 5\mu\text{s}$, độ dốc sườn trước $\frac{di}{dt} \ge 0,1\text{ A}/\mu\text{s}$ để đảm bảo mở đồng thời các van, cùng với yêu cầu đối xứng góc kích giữa các kênh trong bộ biến đổi nhiều pha.

4. Ưu điểm nổi bật của van GTO so với SCR truyền thống trong mạch biến đổi DC là gì?
GTO có khả năng tự khóa bằng cách đưa một xung dòng âm ngắn vào cực cổng ($I_G < 0$), giúp loại bỏ hoàn toàn các mạch chuyển mạch cưỡng bức $L-C$ phụ trợ cồng kềnh, đắt tiền và giảm khoảng $40%$ kích thước, trọng lượng của toàn bộ hệ thống biến đổi.

5. Hiện tượng sụt áp do chuyển mạch ($\Delta U_X$) trong bộ chỉnh lưu ba pha sinh ra do đâu và có giá trị bằng bao nhiêu?
Hiện tượng này sinh ra do điện kháng tản của máy biến áp ($X_{BA}$) làm quá trình chuyển dòng giữa các pha không diễn ra tức thời mà kéo dài trong góc chuyển mạch $\gamma$. Giá trị sụt áp tương ứng là $\Delta U_X = 0,478 X_{BA} I_d$ đối với sơ đồ hình tia và $\Delta U_{X.cau} = 0,955 X_{BA} I_d$ đối với sơ đồ hình cầu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đặng Thị Mỹ Trang và Trần Lâm Tùng đã hệ thống hóa một cách mạch lạc cơ sở lý thuyết về các linh kiện điện tử công suất từ Diode, BJT, SCR đến các linh kiện cải tiến như ASCR, RCT và GTO. Công trình đã xây dựng thành công hệ phương trình giải tích đặc tính cơ - tốc độ cho hệ truyền động chỉnh lưu ba pha và làm rõ nguyên lý tính toán các cấu hình bộ băm xung áp một chiều (DC Chopper). Đây là tài liệu tổng hợp lý thuyết có giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện tự động.